深度解析LT8705：高性能同步4开关Buck - Boost DC/DC控制器

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，我们来深入探讨Linear Technology公司的LT8705，一款高性能的同步4开关Buck - Boost DC/DC控制器。

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一、产品概述

LT8705是一款能在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下稳定工作的开关稳压器控制器。它具有集成的输入电流、输入电压、输出电流和输出电压反馈环路，输入电压范围为2.8V（需(EXTV_{CC}>6.4V)）至80V，输出电压范围为1.3V至80V，适用于大多数太阳能、汽车、电信和电池供电系统。

1.1 主要特性

• 单电感设计：允许(V{IN})高于、低于或等于调节后的(V{OUT})，极大地增强了设计的灵活性。
• 宽电压范围：(V{IN})范围2.8V - 80V，(V{OUT})范围1.3V - 80V，能适应多种不同的电源环境。
• 四N沟道MOSFET栅极驱动器：为功率开关提供强大的驱动能力。
• 同步整流：效率高达98%，有效降低功耗。
• 输入和输出电流监测引脚：方便实时监测电流情况。
• 可同步固定频率：范围从100kHz到400kHz，可根据实际需求进行调整。
• 集成反馈环路：包含输入电流、输入电压、输出电流和输出电压反馈环路，提高了系统的稳定性和控制精度。
• 时钟输出：可用于监测芯片温度，为系统的热管理提供依据。
• 多种封装形式：提供38引脚（5mm × 7mm）QFN和TSSOP封装，TSSOP封装经过改进，适用于高压操作。

二、电气特性

2.1 电压供应和调节器

• (V_{IN})工作电压范围：当(EXTV{CC}=0V)时，(V{IN})范围为5.5V - 80V；当(EXTV{CC}=7.5V)时，(V{IN})范围为2.8V - 80V。
• (V_{IN})静态电流：不开关时，(V{EXTVCC}=0)，静态电流为2.65 - 4.2mA；关机时，(V{SHDN}=0V)，静态电流为0 - 1µA。
• (EXTV_{CC})切换电压：典型值为6.4V，切换滞后为0.18V。
• (INTV_{CC})电流限制：从(INTV_{CC})和LDO33引脚组合的最大电流汲取，受输入电压和负载影响。
• (INTV_{CC})电压调节：从(V{IN})或(EXTV{CC})调节，输出电压典型值为6.35V。
• LDO33引脚电压：输出电压为3.23 - 3.35V，负载调节范围为 - 0.25% - 1%。

2.2 开关稳压器控制

• 最大电流检测阈值：在升压模式和降压模式下，不同型号（如LT8705E、LT8705I、LT8705H、LT8705MP）有不同的阈值。
• SHDN输入电压：高电平阈值为1.184 - 1.284V，低电平阈值因型号而异。
• SWEN上升阈值电压：典型值为1.206V，阈值滞后为22mV。
• MODE引脚：可选择强制连续模式、突发模式或不连续模式。

2.3 电压调节器环路

• FBOUT和FBIN调节电压：典型值分别为1.207V和1.205V，线路调节率为0.002 - 0.005%/V。
• SRVO引脚激活阈值：用于指示反馈环路的激活状态。

2.4 电流调节环路

• IMON_IN和IMON_OUT调节电压：典型值为1.208V，线路调节率为0.002 - 0.005%/V。
• SRVO_IIN和SRVO_IOUT激活阈值：用于指示输入和输出电流反馈环路的激活状态。

2.5 NMOS栅极驱动器

• 上升和下降时间：典型值为20ns，确保快速的开关动作。
• 开关延迟时间：如TG1关到BG1开的延迟为100ns，保证开关的协调工作。

2.6 振荡器

• 开关频率范围：100 - 400kHz，可通过RT引脚电阻或SYNC引脚同步。
• SYNC信号要求：高电平为1.3V，低电平为0.5V，占空比为20 - 80%。
• CLKOUT输出：可用于同步其他设备，其占空比与芯片温度成正比。

三、工作原理

3.1 主控制环路

LT8705是一款电流模式控制器，通过电感电流感测电阻（(R{SENSE})）在降压或升压模式下工作。电感电流由(V{C})引脚电压控制，(V{C})是误差放大器EA1 - EA4的二极管与输出。当输出电压变化时，(V{C})电压相应调整，从而控制输出电流。

3.2 电源供应

• (INTV{CC}/EXTV{CC}/GATEV_{CC}/LDO33)电源：(INTV{CC})通常调节到6.35V，可由(V{IN})或(EXTV{CC})供电。当(EXTV{CC}>6.4V)时，由(EXTV{CC})供电；否则由(V{IN})供电。(GATEV{CC})直接为底部MOSFET驱动器供电，应连接到(INTV{CC})。LDO33引脚可提供3.3V电源，为外部组件供电。

3.3 启动过程

• 芯片关闭状态：当SHDN引脚电压低于0.35V（LT8705E、LT8705I）或0.3V（LT8705H、LT8705MP）时，芯片关闭，静态电流最小。
• 开关关闭状态：当SHDN引脚电压高于1.234V时，(INTV_{CC})和LDO33调节器启用，但开关仍关闭。
• 初始化状态：当SWEN引脚电压高于1.206V，(INTV{CC})和(GATEV{CC})高于4.81V，LDO33引脚高于3.08V时，开关开始启动。
• 软启动状态：SS引脚放电至小于50mV后，软启动开始，通过逐渐增加(V_{C})电压，实现电感电流的逐渐上升，避免输入电源的电流冲击。
• 正常模式：当SS引脚电压高于1.6V且无故障条件时，进入正常工作模式。

3.4 故障条件

当出现过压（IMON_IN或IMON_OUT > 1.61V）等故障时，CLKOUT引脚和内部开关活动停止，SS引脚充电至1.6V以上。故障消除后，SS引脚缓慢放电至50mV，然后重新进入软启动状态。

3.5 功率开关控制

• 降压区域（(V{IN} gg V{OUT})）：开关M3始终关闭，开关M4在突发模式或不连续模式下检测到反向电流时关闭。同步开关M2首先开启，电感电流由放大器A5感测，与参考电压比较后控制开关M2和M1的交替工作。
• 降压 - 升压区域（(V{IN} cong V{OUT})）：控制器根据开关状态在降压和升压模式之间切换。
• 升压区域（(V{IN} ll V{OUT})）：开关M1始终开启，开关M2始终关闭。开关M3首先开启，电感电流由放大器A5感测，与参考电压比较后控制开关M3和M4的交替工作。

3.6 轻负载电流操作

• 不连续模式：检测到电感中的反向电流时，同步开关M4关闭，防止电流从输出端流向输入端。
• 突发模式：通过设置(V_{C})阈值，在轻负载时抑制开关活动，提高效率。
• 强制连续模式：允许电感电流反向流动，在软启动期间强制进入不连续模式，防止电流从输出端流向输入端。

3.7 电压调节环路

• 输出电压调节：通过FBOUT引脚接收输出电压反馈信号，与内部参考电压比较，调整(V_{C})电压，实现输出电压的稳定调节。
• 输入电压调节：通过FBIN引脚接收输入电压反馈信号，当输入电压过低时，降低(V_{C})电压，减少输入电流。

3.8 电流监测和调节

• 输入电流监测：通过CSPIN和CSNIN引脚感测输入电流，将其转换为与输入电流成正比的电压(V_{IMON_IN})。
• 输出电流监测：通过CSPOUT和CSNOUT引脚感测输出电流，将其转换为与输出电流成正比的电压(V_{IMON_OUT})。
• 电流限制：当(V_{IMONIN})或(V{IMONOUT})超过1.208V时，降低(V{C})电压，限制输入和输出电流。

3.9 SRVO引脚

QFN封装的LT8705具有四个开漏SRVO引脚（SRVO_FBIN、SRVO_FBOUT、SRVO_IIN、SRVO_IOUT），可用于指示相应反馈环路的激活状态。

3.10 CLKOUT和温度传感

CLKOUT引脚以LT8705的内部时钟频率切换，可用于同步其他设备。其占空比与芯片温度成正比，可用于监测芯片的热状态。

四、应用信息

4.1 工作频率选择

• 内部振荡器：通过RT引脚电阻设置自由运行频率，计算公式为(f{OSC}=left(frac{43,750}{R{T}+1}right)kHz)。
• SYNC引脚同步：可将工作频率同步到外部时钟源，SYNC信号的占空比应在20 - 80%之间，频率应在100 - 400kHz范围内。
• CLKOUT引脚同步：CLKOUT引脚可用于同步其他LT8705调节器，实现约180°的相位差。

4.2 电感电流感测和斜率补偿

• 电感电流感测：通过CSP和CSN引脚感测电感电流，在升压区域感测峰值电流，在降压区域感测谷值电流。
• 斜率补偿：内部斜率补偿电路通过在升压区域增加补偿斜坡，在降压区域减去斜坡，防止高占空比下的次谐波振荡。

4.3 (R_{SENSE})选择和最大电流

• 升压区域：根据最大输出电流和电感纹波电流，计算最大允许的(R_{SENSE})电阻值。
• 降压区域：根据最小占空比和电感纹波电流，计算最大允许的(R_{SENSE})电阻值。
• 最终(R_{SENSE})值：选择小于升压和降压区域最大允许值的(R_{SENSE})电阻，并留30%以上的余量。

4.4 电感选择

• 提供足够的负载电流：在升压区域，选择合适的电感值，以确保在低(V_{IN})电压下提供足够的负载电流。
• 避免次谐波振荡：选择电感值大于防止次谐波振荡所需的最小值。
• 最大电流额定值：选择电感的额定电流大于其峰值工作电流，防止电感饱和。

4.5 功率MOSFET选择和效率考虑

• 参数选择：选择具有合适击穿电压、阈值电压、导通电阻、反向传输电容和最大电流的N沟道功率MOSFET。
• 功率耗散：考虑MOSFET的功率耗散，避免过热。可通过并联多个MOSFET降低单个器件的功率耗散，但要注意并联电容对开关速度的影响。
• 开关M1：功率耗散主要来自导通时的(I^{2}R)损耗和开关过程中的功率损耗。
• 开关M2：在降压区域，(I^{2}R)损耗占主导。
• 开关M3：在升压和降压 - 升压区域，功率耗散来自(I^{2}R)损耗和开关功率损耗。
• 开关M4：在升压区域，(I^{2}R)损耗占主导。
• 栅极电阻：在某些情况下，可在NMOS栅极引脚和LT8705的栅极驱动器引脚之间添加1 - 10Ω的电阻，减少开关节点的振铃，但要注意电阻过大对性能的影响。

4.6 (C{IN})和(C{OUT})选择

• 输入电容：选择具有低ESR和足够电容的电容，以抑制输入电压纹波。在降压区域，输入电流不连续，需确保电容网络能处理最大RMS电流。
• 输出电容：选择具有低ESR和足够电容的电容，以减少输出电压纹波。考虑ESR和电容对输出纹波的影响。

4.7 肖特基二极管（D1、D2）选择

选择具有低反向泄漏电流和合适反向电压额定值的肖特基二极管，以减少反向恢复电流，提高转换器效率。

4.8 顶部MOSFET驱动器电源

• 自举电容：选择合适的自举电容，存储足够的电荷，为顶部MOSFET驱动器提供稳定的电源。
• 升压二极管：推荐使用硅二极管，确保其反向击穿电压高于(V{IN(MAX)})和(V{OUT(MAX)})，并具有低反向泄漏电流。

4.9 输出电压设置

通过外部反馈电阻分压器设置输出电压，计算公式为(V{OUT}=1.207V cdotleft(1+frac{R{FBOUT1}}{R_{FBOUT2}}right))。

4.10 输入电压调节或欠压锁定

通过连接电阻分压器到FBIN引脚，可实现输入电压调节或欠压锁定功能。

4.11 输入/输出电流监测和限制

• 电流监测：通过CSPIN/CSNIN和CSPOUT/CSNOUT引脚感测输入和输出电流，将其转换为与电流成正比的电压。
• 电流限制：通过设置(R_{IMONIN})和(R{IMON_OUT})电阻，实现输入和输出电流的限制。
• 过流故障：当(IMON_IN)或(IMON_OUT)超过1.61V时，触发故障，停止开关活动。

4.12 (INTV{CC})调节器和(EXTV{CC})连接

• (INTV_{CC})调节器：由(V{IN})或(EXTV{CC})供电，自动根据(EXTV_{CC})电压选择。
• (EXTV_{CC})连接：可选择将(EXTV{CC})接地、连接到(V{OUT})或外部电源，以提高效率。

4.13 环路补偿

选择合适的(V{C})电阻和电容，以确保控制环路的稳定性。通常，(V{C})串联电容为3.3nF，并联电容为其1/10，串联电阻为20k。

4.14 LDO33引脚调节器

LDO33引脚可提供3.3V电源，为外部组件供电。输入电源为(INTV_{CC})，具有过流保护和欠压锁定功能。

4.15 电压锁定

LT8705包含多个电压检测器，确保芯片在正常工作条件下运行。可通过SHDN、SWEN和FBIN引脚实现可配置的欠压锁定功能。

4.16 电感电流感测滤波

在某些应用中，可通过添加RC网络对电感电流感测信号进行滤波，减少开关噪声的影响。

4.17 结温测量

通过测量CLKOUT信号的占空比，可近似计算芯片的结温，计算公式为(T{J} cong frac{DC{CLKOUT}-35.9%}{0.329%})。

4.18 热关断

当芯片结温达到约165°C时，进入热关断