LT8495：高性能SEPIC/Boost转换器的设计与应用解析

在电子设计领域，电源管理芯片的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天，我们就来深入探讨一款优秀的电源管理芯片——LT8495，它是一款具备多种功能的SEPIC/Boost转换器，为电子工程师在电源设计方面提供了强大的支持。

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一、LT8495概述

LT8495是一款可调频率（250kHz至1.5MHz）的单片式开关稳压器，集成了上电复位和看门狗定时器功能。其输入电压范围广泛，约为1V至60V（启动时为2.5V至32V），非常适合多种应用场景。该芯片具有低静态电流的特点，工作时静态电流可小于9µA，当SWEN、WDE和RSTIN引脚为低电平时，静态电流约为0.3µA。

二、核心特性亮点

2.1 低纹波突发模式

LT8495的低纹波突发模式（Burst Mode®）操作在轻负载情况下表现出色。在这种模式下，芯片以单周期脉冲的方式向输出电容输送电流，随后进入睡眠期，由输出电容为负载供电。这种工作方式使得在睡眠期间，(V_{IN}) / BIAS引脚的静态电流典型值可降低至3µA至6µA，有效提高了轻负载时的效率。而且，输出电压纹波小于10mV（典型值），通过增加输出电容，纹波还能进一步降低。

2.2 双电源引脚设计

芯片具有双电源引脚（VIN和BIAS），这一设计极大地提高了效率。在启动后，即使(V_{IN})电压降至2.5V以下，芯片仍可从输出（BIAS）汲取电流，从而延长了电池寿命。同时，这种设计还能降低最小供电电压至约1V。

2.3 集成式功率开关

内部集成了2A/70V的功率开关，为电路设计提供了便利，减少了外部元件的使用，降低了成本和电路板空间。

2.4 可编程功能

• 看门狗定时器：可编程的看门狗定时器可在(V_{IN})电源移除时仍能正常工作，通过监测微控制器的活动，确保系统的稳定性。当微控制器出现代码执行错误时，看门狗定时器能及时检测到并拉低WDO引脚，触发复位操作。
• 上电复位定时器（POR）：可编程的POR定时器，RST功能在输入电源低至1.3V时仍可正常工作，确保系统在上电时能正确复位。
• 开关频率：开关频率可在250kHz至1.5MHz之间进行编程，工程师可以根据具体应用需求灵活调整。
• 欠压锁定（UVLO）：SWEN和RSTIN引脚可进行可编程的UVLO设置，防止在输入电压过低时出现异常操作。
• 软启动：通过一个电容即可实现可编程的软启动功能，限制启动时的峰值开关电流，保护电路元件。

2.5 故障容错能力

在TSSOP封装中，LT8495具有故障容错能力，相邻引脚短路或开路时，不会使输出电压超过编程值，提高了系统的可靠性。

三、工作原理深度剖析

3.1 开关稳压器工作原理

从框图中可以看出，可调振荡器通过外部RT电阻设置频率，使RS锁存器置位，开启内部功率开关。放大器和比较器监测通过内部感测电阻的开关电流，当电流达到由VC电压确定的水平时，关闭开关。误差放大器通过连接到FB引脚的外部电阻分压器测量输出电压，调整VC电压，从而控制输出电流。内部稳压器为控制电路提供电源。

3.2 启动操作

• SWEN引脚监测：内部电压基准监测SWEN引脚电压，提供精确的开启阈值，通过连接外部电阻分压器可实现用户可编程的欠压锁定功能。
• 软启动电路：软启动电路使开关电流逐渐上升。启动时，外部SS电容先放电，然后内部256k电阻将SS引脚拉至约2.1V，通过连接外部电容可设置引脚电压的上升速率。
• 频率折返电路：当FB引脚电压低于1V时，频率折返电路降低最大开关频率，减少最小占空比，便于在启动时更好地控制开关电流。

3.3 上电复位和看门狗定时器操作

• 上电复位（POR）：POR电路和复位定时器确保RST引脚在初始上电后低电平保持一段可编程的复位延迟时间。在正常运行中，当RSTIN引脚低于阈值或芯片因异常情况进入关机状态时，RST引脚也会被拉低。
• 看门狗定时器：看门狗定时器监测微控制器的活动，通过WDE引脚启用或禁用。启用后，需要WDI引脚在编程的时间窗口内出现连续的负边沿，以防止WDO引脚拉低。如果WDI信号不符合要求，WDO引脚将拉低，复位定时器会使WDO引脚在CPOR引脚设置的延迟时间内保持低电平。

四、关键应用信息详解

4.1 输出电压设置

输出电压通过从输出到FB引脚（R2）以及从FB引脚到地（R1）的电阻分压器进行编程，计算公式为(R 2=R 1left(frac{V_{OUT }}{1.202}-1right))。选择较大的电阻可以降低应用电路的静态电流，在轻负载应用中尤为重要。

4.2 功率开关占空比

为了保持环路稳定性并向负载提供足够的电流，功率NPN开关的占空比有一定限制。最大允许占空比(D C{MAX }=frac{T{P}- Minimum Switch Off-Time }{T{P}} cdot 100 %)，最小允许占空比(D C{MIN }=frac{ Minimum Switch On-Time }{T{P}} cdot 100 %)，其中(T{P})为时钟周期，最小开关关断时间典型值为70ns，最小开关导通时间典型值为95ns。应用设计应确保工作占空比在(D C{MIN})和(D C{MAX})之间。

4.3 开关频率设置

LT8495采用恒定频率PWM架构，通过将电阻从RT引脚连接到地，可以将开关频率编程为250kHz至1.5MHz。不同开关频率对应的RT值如下表所示：	开关频率（MHz）	RT值（kΩ）
0.25	324
0.4	196
0.6	124
0.8	88.7
1.0	68.1
1.2	54.9
1.4	45.3
1.5	41.2

4.4 电感选择

• 一般准则：由于LT8495的高频操作，可使用小型表面贴装电感。为提高效率，应选择具有高频磁芯材料（如铁氧体）的电感，以减少磁芯损耗；选择体积较大的电感，降低DCR（铜线电阻），减少(I^{2}R)损耗，并确保电感能够承受峰值电流而不饱和。
• 最小电感：选择电感时，要考虑提供足够的负载电流和避免次谐波振荡两个条件。为提供足够的负载电流，电感值应满足相应公式；在占空比大于50%的应用中，电感值还需满足避免次谐波振荡的要求。
• 最大电感：过大的电感会使电流纹波降低，导致电流比较器难以准确判别，从而引起占空比抖动和调节性能下降。最大电感可通过公式(L{MAX }=frac{V{IN }-V{CESAT }}{I{MIN(RIPPLE) }} cdot frac{DC}{f})计算。
• 电流额定值：电感的额定电流应大于其峰值工作电流，以防止电感饱和导致效率损失。

4.5 电容选择

输出端应使用低ESR（等效串联电阻）的电容，以最小化输出纹波电压。多层陶瓷电容是理想选择，具有极低的ESR和小封装尺寸，X5R或X7R电介质更适合，能在较宽的电压和温度范围内保持电容值。输入去耦电容应尽可能靠近(V_{IN})和BIAS引脚放置，2.2µF至4.7µF的输入电容通常适用于大多数应用。

4.6 二极管选择

在升压或SEPIC拓扑中使用的二极管，其反向电压额定值应大于峰值反向电压。同时，要考虑反向泄漏电流，它会影响轻负载时的效率。肖特基二极管在正向电压和泄漏电流之间存在权衡，需要根据具体应用进行选择。

4.7 软启动

LT8495的软启动电路通过连接外部电容（通常为100nF至1µF）到SS引脚，限制启动时的峰值开关电流。当芯片启动时，内部256k电阻将SS引脚电压缓慢升至约2.1V，随着电容充电，电流限制逐渐增加，使输出电容逐渐充电至最终值。

4.8 电源供应和操作限制

• 功率开关驱动器（PSD）操作范围：PSD必须由高于最小工作电压（典型值2.4V）且低于PSD过压阈值（典型值34V）的电源供电。如果(V_{IN})和BIAS都不在此范围内，PSD和开关稳压器将自动禁用。
• 复位和看门狗操作电压限制：复位电路在(V{IN})或BIAS高于1.3V时正常工作，看门狗定时器在(V{IN})或BIAS在2.5V至60V之间时正常工作。
• 自动电源选择：为了最小化功率损耗，LT8495会自动从最低合适电压的电源（(V{IN})或BIAS）汲取所需电流，电源选择会根据(V{IN})和BIAS电压的变化而自动调整。
• BIAS连接：对于SEPIC转换器，BIAS通常连接到(V{OUT})，可提高效率；对于升压转换器，BIAS可连接到(V{OUT})或地，具体取决于应用需求。
• (V_{IN}) / BIAS斜坡速率：在启动开关转换器应用时，应限制(V_{IN}) / BIAS的斜坡速率，避免过高的斜坡速率导致被动元件中的浪涌电流过大，损坏元件或芯片。

4.9 看门狗定时器

• 功能原理：LT8495的看门狗定时器可监测微控制器的活动，当出现代码执行错误时，能检测到并拉低WDO引脚，可将WDO引脚连接到RST或微控制器的其他输入引脚，实现复位或中断操作。
• 定时电容选择：看门狗超时周期可通过连接电容(C_{WDT})到CWDT引脚进行调整。通过相关公式和图表，可以根据所需的超时周期选择合适的电容值。
• 启动条件：在POR或热锁定期间、WDE引脚为低电平时以及WDO引脚拉低期间，看门狗定时器不监测WDI引脚。在相应条件解除后，需要等待CWDT引脚充电至约200mV后，才开始监测WDI引脚。

4.10 复位条件

LT8495有三种复位条件：POR（当(V{IN})和BIAS都低于2.4V时）、热锁定（芯片温度过高时）和RSTIN欠压锁定（RSTIN输入低于1.1V时）。这些条件都会使RST引脚拉低，通过连接外部电阻分压器可实现欠压检测功能。可编程定时器会在复位条件解除后延迟释放RST引脚，延迟时间(t{RST})可通过连接电容(C_{POR})到CPOR引脚进行编程。

4.11 欠压锁定

• 输入UVLO：通过将电阻分压器从(V{IN})连接到SWEN引脚，可实现输入欠压锁定功能，当(V{IN})低于所需阈值时，禁用开关稳压器。
• 输出UVLO：将RST和RSTIN引脚连接，可实现输出欠压锁定功能，当(V{OUT})低于所需电压时，拉低RST引脚，复位由(V{OUT})供电的设备。
• POR UVLO：当(V_{IN})和BIAS都过低（典型值小于2.4V）时，开关稳压器和看门狗定时器将被禁用。

4.12 高温考虑

在较高环境温度下，应注意PCB布局，确保LT8495有良好的散热。封装底部的裸露焊盘必须焊接到接地平面，并通过热过孔连接到较大的铜层，以散发芯片产生的热量。随着环境温度接近最大结温额定值，应降低最大负载电流。同时，要考虑高温下SWEN、RSTIN、WDE和FB引脚的泄漏电流增加问题。当芯片温度达到约165°C时，会进入热锁定状态，芯片复位，温度下降约5°C后重新启用。

4.13 故障容错

LT8495在TSSOP封装中设计了故障容错功能，相邻引脚短路或单个引脚浮空不会使输出电压升高或损坏芯片。但NC引脚必须浮空以确保故障容错能力，为了在相邻引脚短路时获得最佳容错效果，BIAS引脚应连接到高于1.230V的电源或输出。

4.14 布局提示

在进行PCB布局时，要注意实现最佳的电气、热和噪声性能。高速开关电流路径应尽可能短，以减少寄生电感和噪声。使用接地平面可防止层间耦合和整体噪声。FB组件应远离开关节点，其接地应与开关电流路径分开，以避免稳定性问题或次谐波振荡。

五、典型应用案例展示

5.1 750kHz，16V至32V输入，48V输出，0.5A升压转换器

该应用案例实现了将16V至32V的输入电压转换为48V输出，输出电流可达0.5A。通过合理选择电感、电容和二极管等元件，确保了高效稳定的电源转换。在(V_{IN}=24V)时，效率表现良好。

5.2 400kHz宽输入和输出范围SEPIC转换器，带电荷泵开关

此应用适用于输入电压范围为6V至38V（启动时为6V至32V），输出电压范围为20V至60V的场景，输出电流为80mA。通过多个电容和二极管的组合，实现了宽范围的电压转换。

5.3 Li - Ion至12V，低静态电流升压转换器，650kHz

针对Li - Ion电池供电的应用，该转换器将2.8V至4.1V的输入电压转换为12V输出，输出电流为200mA。在(V_{IN}=3.3V)时，效率较高，满足了低功耗应用的需求。

5.4 250kHz，5V至300V，低静态电流反激转换器

该应用实现了将5V输入转换为300V输出，输出电流为2mA。由于输出电压较高，需要注意高压安全问题，仅由经过高压培训的人员操作。

5.5 450kHz，5V输出SEPIC转换器

该转换器可在3V至60V（启动时为3V至32V）的输入电压下，输出5V电压，不同输入电压下的输出电流有所不同。通过合理的元件选择和电路设计，确保了输出的稳定性。

5.6 1.5MHz，12V输出SEPIC转换器

在9V至16V的输入电压下，该转换器输出12V电压，输出电流为0.5A。在(V_{IN}=12V)时，效率和功率损耗表现良好。

5.7 450kHz，宽输入范围12V输出SEPIC转换器

此应用适用于3V至55V（启动时为3V至32V）的输入电压，不同输入电压下的输出电流不同。在不同输入电压和负载电流下，效率和无负载供电电流表现稳定。

六、相关产品对比

产品编号	描述	备注
LT8494	70V，2A升压/SEPIC 1.5MHz高效DC/DC转换器	(V{IN(MIN)} = 2.5V)，(V{IN(MAX)} = 32V)，(V{OUT(MIN)} = 70V)，(I{Q} = 9µA)，(I_{SD} = <1µA)，4mm × 4mm QFN - 20，TSSOP - 20E封装
LT3580	42V，2A升压/反相2.5MHz高效DC/DC转换器	(V{IN})：2.5V至32V，(V{OUT(MAX)} = ±40V)，(I_{Q} = 1mA