LT8709：负输入同步多拓扑DC/DC控制器的深度解析

在电子工程师的设计工作中，DC/DC控制器是一个关键的组件，它直接影响着电源系统的性能和稳定性。今天，我们就来详细探讨一下LINEAR TECHNOLOGY的LT8709负输入同步多拓扑DC/DC控制器。

文件下载：LT8709.pdf

一、产品概述

LT8709是一款用于负到负或负到正DC/DC转换的同步PWM控制器，具备轨到轨输出电流监测和控制功能，非常适合各种本地电源设计。它可以轻松配置为降压、升压、降压 - 升压和反相拓扑，适用于负输入电压的应用场景。

（一）主要特性

1. 宽负输入范围：支持 -4.5V 至 -80V 的输入电压，这使得它在不同的电源环境下都能稳定工作。
2. 轨到轨输出电流监测和控制：能够精确地监测和控制输出电流，确保电源系统的稳定性和可靠性。
3. 输入电压调节：针对高阻抗输入，可实现输入电压的有效调节，避免输入电源崩溃。
4. 电源良好指示：通过PG引脚提供电源良好指示，方便工程师实时了解电源状态。
5. 多种工作模式：MODE引脚可选择强制连续导通模式（CCM）或脉冲跳过/不连续导通模式（DCM），以适应不同的负载需求。
6. 高开关频率：开关频率最高可达750kHz，有助于减小外部组件的尺寸。
7. 可同步至外部时钟：方便与其他系统进行同步，提高系统的整体性能。
8. 高增益EN/FBIN引脚：能够接受缓慢变化的输入信号，并具备可调欠压锁定功能。

（二）典型应用

LT8709适用于多种应用场景，包括高功率负输入、负输出电源，高功率负输入、正输出电源，电信设备电源以及阴极保护电源等。

二、电气特性

（一）绝对最大额定值

了解绝对最大额定值对于正确使用LT8709至关重要。例如，GND电压相对于 -VIN 的范围是 -0.3V 至 80V，BIAS电压相对于 -VIN 的范围也是 -0.3V 至 80V 等。在设计过程中，必须确保各个引脚的电压和电流不超过这些额定值，否则可能会导致器件损坏。

（二）电气参数

文档中详细列出了LT8709的各项电气参数，如最小工作输入电压、静态电流、EN/FBIN引脚的输入电压阈值、SS引脚的充电电流等。这些参数是工程师进行电路设计和性能评估的重要依据。例如，EN/FBIN引脚的最小输入电压高阈值为1.7V（典型值），当该引脚电压高于此值时，芯片将被激活并启动软启动序列。

三、工作原理

（一）概述

LT8709采用恒定频率、电流模式控制，以提供出色的线路和负载调节能力。它的欠压锁定（UVLO）功能、软启动和频率折返功能，为启动过程提供了可控的手段。输出电压、输出电流和输入电压都可以控制命令的峰值电流，从而满足广泛的应用需求。

（二）启动过程

1. 精确的开启电压：EN/FBIN引脚有两个电压阈值，第一个阈值用于使能芯片并允许内部电源轨工作，第二个阈值用于激活软启动周期并开始开关操作。当EN/FBIN引脚电压超过1.7V（典型值）时，逻辑状态将被锁存，即使引脚电压下降到1.3V至1.7V之间，SS引脚也不会被拉低。
2. 欠压锁定（UVLO）：内部UVLO电路在GND或BIAS电压小于4.5V（最大值）或INTVCC电压小于4V（典型值）时，会禁用芯片。EN/FBIN引脚也可用于创建可配置的UVLO功能。
3. 开关电流软启动：软启动电路使开关电流逐渐上升，避免启动时的电流冲击。外部SS电容在启动时会先放电，然后通过一个260k的电阻以由外部电容设定的斜率充电至约2.7V。
4. 频率折返：当FBY引脚电流小于56.9μA（典型值）时，频率折返电路会降低开关频率，以提高启动时对电感电流的控制能力。

（三）调节模式

LT8709具有三种调节模式：

1. 输出电压调节：通过FBY引脚实现，通常使用一个外部电阻来设置目标输出电压。EA1误差放大器根据FBX电压和参考电压的差值来设置VC引脚的电压，从而控制输出电压。
2. 输入电压调节：通过EN/FBIN引脚实现，可以使用电阻分压器或单个电阻来设置输入电压调节。EA3误差放大器根据EN/FBIN引脚电压和1.607V参考电压的差值来设置VC引脚的电压，以维持输入电压的稳定。
3. 输出电流调节：通过ISP、ISN和IMON引脚实现。外部感测电阻RSENSE2设置转换器的最大输出电流，IMON引脚输出与ISP和ISN引脚之间电压成比例的电压。EA2误差放大器根据IMON引脚电压和1.213V参考电压的差值来设置VC引脚的电压，以维持输出电流的稳定。

（四）复位条件

LT8709有三种复位情况，包括UVLO（GND或BIAS电压小于4.5V、INTVCC电压小于4V、EN/FBIN电压小于1.7V）、过流（IMON电压大于1.38V）和芯片温度超过175°C。当出现复位情况时，SS引脚将被拉低，功率开关将被强制关闭，直到复位条件消除后，芯片将重新开始软启动序列。

（五）功率开关控制

LT8709的主功率开关是外部NFET（MN），同步次级功率开关是外部PFET（MP）。两个开关不会同时导通，并且有大约140ns和90ns的非重叠时间，以防止交叉导通。MODE引脚可以控制芯片在强制CCM或DCM模式下工作，在轻负载时，DCM模式可以提高效率。

（六）电源良好指示

PG引脚是一个漏极开路引脚，作为有源高电平电源良好指示。当FBY引脚电流为 -74.9μA 或 75.4μA（约为调节电流的90%）时，电源被认为是良好的。PG引脚有100μs的抗干扰延迟，以避免误触发。

（七）LDO稳压器

LT8709有两个线性稳压器，INTVCC和INTVEE。INTVCC稳压器调节到6.3V（典型值），为BG栅极驱动器提供电源；INTVEE稳压器调节到比BIAS引脚电压低6.18V（典型值），为TG栅极驱动器提供电源。两个稳压器都具有过流保护功能，以防止器件损坏。

四、应用信息

（一）不同拓扑的组件选择

1. 负降压转换器：可以将更负的输入电压转换为较负的输出电压。通过一系列的设计方程，可以计算出各个组件的值，如输入电容、输出电容、电感、电流感测电阻等。
2. 负反相转换器：可以将负输入电压转换为正输出电压。同样，根据设计方程可以确定各个组件的参数。
3. 负降压 - 升压转换器：可以在输入电压变化较大的情况下，提供稳定的负输出电压。该拓扑具有低输出电压纹波和输出断开功能。
4. 负升压转换器：可以将负输入电压转换为更负的输出电压。通过合理选择组件，可以实现高效的升压转换。

（二）输出电压和输入电压调节

通过连接外部电阻到FBY引脚，可以设置输出电压。对于输入电压调节，可以使用电阻分压器连接到EN/FBIN引脚，以实现输入电压的稳定调节或欠压锁定功能。

（三）输出电流监测和限制

LT8709具有输出电流监测电路，可以通过IMON引脚监测输出电流。通过选择合适的RSENSE2电阻，可以限制输出电流。当IMON引脚电压超过1.213V（典型值）时，会降低VC引脚电压，从而限制电感电流。

（四）开关电流限制

外部电流感测电阻RSENSE1设置外部NFET开关的最大峰值电流。随着占空比的增加，电流限制会通过斜率补偿而降低。

（五）反向电流应用

当MODE引脚为低电平时，允许电感电流反向流动，但可能会导致电流从输出端流向输入端。为了防止输入过压，可以添加外部组件进行保护。

（六）电流感测滤波

在某些应用中，由于开关噪声的影响，可能需要对电感电流感测信号进行滤波。可以使用RC网络对CSP/CSN和ISP/ISN引脚的信号进行滤波。

（七）开关频率

LT8709的开关频率可以通过内部振荡器设置，也可以同步到外部时钟源。选择合适的开关频率需要考虑效率和组件尺寸的平衡。

（八）电平转换电路

为了方便外部控制，LT8709提供了电平转换电路，可以将GND参考信号转换为相对于 -VIN 的信号。

（九）非同步转换器

在某些应用中，可以用肖特基二极管代替外部PFET，以实现非同步转换。此时，MODE引脚必须拉高，TG引脚必须悬空，以避免损坏TG栅极驱动器。

（十）布局指南

合理的布局对于LT8709的性能至关重要。一般来说，要优化散热性能，将芯片的暴露焊盘焊接到芯片接地平面；高速开关路径要尽可能短；FBY、VC、IMON和RT组件要靠近芯片放置，远离开关节点；旁路电容要靠近芯片引脚放置；负载要直接连接到输出电容的正负极。

五、热考虑

（一）散热路径

电路板上散热最多的组件是功率开关、功率电感和LT8709芯片。为了保证这些组件的散热，需要利用封装底部的散热垫，并通过印刷电路板上的多个过孔将热量传导到大面积的铜平面上。

（二）功率MOSFET损耗和热计算

LT8709需要两个外部功率MOSFET，其功率损耗包括DC和AC两部分。通过计算MOSFET的导通电阻、栅极 - 漏极电荷、体二极管正向电压等参数，可以估算出MOSFET的功率损耗。

（三）芯片功率和热计算

LT8709芯片的功率损耗主要来自INTVCC LDO、INTVEE LDO和输入静态电流。根据不同的拓扑结构，可以计算出芯片的功率损耗，并通过热阻和环境温度计算出芯片的结温。

（四）热锁定

当芯片温度达到约175°C时，芯片将进入复位状态，功率开关将关闭，软启动电容将放电，INTVCC和INTVEE稳压器的电流限制将降为0。当芯片温度下降约5°C时，芯片将恢复正常工作。

六、附录

（一）功率开关占空比

为了保证环路稳定性和提供足够的电流给负载，外部功率NFET的占空比必须在一定范围内。文档中给出了不同拓扑结构下的占空比计算公式。

（二）电感选择

选择合适的电感对于提高效率至关重要。电感应具有高频核心材料、低DCR和足够的电流承载能力。同时，需要考虑电感的最小和最大电感值，以避免出现负载电流不足、次谐波振荡和电流比较器误触发等问题。

（三）功率MOSFET选择

选择功率MOSFET时，需要考虑击穿电压、栅极阈值电压、导通电阻、总栅极电荷、关断延迟时间等参数。逻辑电平MOSFET是必需的，并且要确保MOSFET在合适的工作区域内，以避免损坏。

（四）输入和输出电容选择

输入和输出电容用于抑制电压纹波，通常采用多个电容并联的方式来实现高电容和低ESR。文档中给出了不同拓扑结构下输入和输出电容的计算公式。

（五）补偿调整

为了保证LT8709的稳定和高效运行，需要对反馈环路进行补偿。可以通过连接一个串联电阻电容网络和一个可选的单个电容从VC引脚到 -VIN 来实现补偿。通过调整补偿电阻的值，可以优化电路的瞬态响应。

（六）补偿理论

LT8709的反馈环路包括一个快速电流环路和一个慢速电压环路。通过标准的波特图分析，可以理解和调整电压反馈环路。文档中给出了负降压转换器的等效模型和DC增益、极点和零点的计算公式。

七、典型应用

文档中给出了多个典型应用案例，包括250kHz、 -16V至 -30V输入到 -12V输出的负降压转换器，200kHz、 -4.5V至 -42V输入到5V/4A输出的负反相转换器等。每个案例都详细列出了组件值、效率和功率损耗曲线以及瞬态响应曲线，为工程师提供了实际的设计参考。

八、总结

LT8709是一款功能强大的负输入同步多拓扑DC/DC控制器，具有宽输入范围、轨到轨输出电流监测和控制、多种工作模式等优点。通过合理选择组件和优化布局，可以实现高效、稳定的电源设计。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求和参数要求，仔细设计和调试电路，以确保系统的性能和可靠性。你在使用LT8709的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。