LTC3890-2：高性能双路同步降压DC/DC控制器的深度解析

在电子设计领域，电源管理芯片的性能往往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备受关注的电源管理芯片——LTC3890 - 2。

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一、芯片概述

LTC3890 - 2是一款高性能的双路同步降压DC/DC控制器，能够驱动全N沟道同步功率MOSFET级。它具有宽输入电压范围（4V至60V，绝对最大65V），低静态电流（单通道开启时为50µA），输出电压范围为0.8V至24V。这些特性使得它在汽车、电池供电设备以及分布式直流电源系统等领域有着广泛的应用。

二、关键特性剖析

（一）输入输出特性

1. 宽输入电压范围：4V至60V的输入电压范围，使其能够适应多种不同的电源环境，无论是电池供电还是中间总线电压，都能轻松应对。这为设计带来了极大的灵活性，工程师可以根据实际需求选择合适的电源。
2. 低静态电流：在单通道开启时，静态电流仅为50µA，这对于电池供电的设备来说至关重要。低静态电流可以有效延长电池的使用寿命，提高设备的续航能力。
3. 宽输出电压范围：输出电压范围为0.8V至24V，能够满足不同负载的电压需求。无论是为微处理器、FPGA还是其他数字电路供电，都能提供稳定的电压输出。

（二）控制模式与频率特性

1. 电流模式控制：采用恒定频率电流模式架构，使得电感电流在短路条件下能够得到有效限制。这种控制方式可以提高系统的稳定性和可靠性，减少过流对电路的损害。
2. 相位可锁频率：频率可在75kHz至850kHz之间进行锁相，同时还支持可编程固定频率（50kHz至900kHz）。通过合理选择频率，可以在效率和元件尺寸之间找到最佳平衡点。较低的频率可以降低MOSFET的开关损耗，提高效率，但需要较大的电感和电容来维持低输出纹波电压；而较高的频率则可以减小电感和电容的尺寸，但会增加开关损耗。
3. 异相控制：两个控制器输出级异相工作，能够有效减少输入电容的ESR引起的功率损耗和噪声。这种设计可以降低输入电容的RMS电流，从而允许使用更便宜的输入电容，减少EMI屏蔽要求，提高实际工作效率。

（三）轻载模式与其他特性

1. 轻载模式选择：支持连续、脉冲跳过或低纹波Burst Mode®操作，用户可以根据实际负载情况选择合适的工作模式。在轻载时，选择Burst Mode可以进一步降低功耗，提高效率；而在对输出纹波要求较高的场合，可以选择连续模式。
2. 可选择的电流限制：通过ILIM引脚可以设置三种不同的最大电流限制阈值，方便工程师根据不同的应用场景进行灵活调整。
3. 软启动与跟踪功能：独立的TRACK/SS引脚可以实现输出电压的软启动或跟踪功能。软启动可以避免在启动过程中产生过大的电流冲击，保护电路元件；而跟踪功能则可以使输出电压跟随其他电源的变化，实现电源的同步启动。
4. Power Good输出电压监控：PGOOD1和PGOOD2引脚可以监控输出电压是否在设定的范围内，当输出电压超出±10%的范围时，引脚会被拉低，方便工程师进行故障诊断和保护。

三、工作原理详解

（一）主控制回路

LTC3890 - 2采用恒定频率、电流模式降压架构，两个控制器通道相差180度异相工作。在正常工作时，每个外部顶部MOSFET在该通道的时钟设置RS锁存器时开启，当主电流比较器ICMP重置RS锁存器时关闭。ICMP触发并重置锁存器的峰值电感电流由ITH引脚的电压控制，该电压是误差放大器EA的输出。误差放大器将输出电压反馈信号（通过外部电阻分压器产生）与内部0.800V参考电压进行比较，当负载电流增加时，VFB相对于参考电压略有下降，EA会增加ITH电压，直到平均电感电流与新的负载电流匹配。顶部MOSFET关闭后，底部MOSFET开启，直到电感电流开始反向或下一个时钟周期开始。

（二）电源供应

芯片的顶部和底部MOSFET驱动器以及大多数内部电路的电源由INTVCC引脚提供。当EXTVCC引脚的电压低于4.7V时，VIN LDO从VIN为INTVCC提供5.1V电源；当EXTVCC高于4.7V时，VIN LDO关闭，EXTVCC LDO开启，从EXTVCC为INTVCC提供5.1V电源。这种设计允许INTVCC的电源来自高效的外部源，如LTC3890 - 2的开关调节器输出之一，从而提高系统的效率。

（三）启动与关闭

两个通道可以通过RUN1和RUN2引脚独立关闭。将任一引脚拉低至1.15V以下，该通道的主控制回路将关闭；将两个引脚都拉低至0.7V以下，两个控制器和大多数内部电路将被禁用，此时芯片的静态电流仅为14µA。释放RUN引脚，内部小电流会将引脚拉高以启用该控制器。RUN1引脚的上拉电流为7µA，RUN2引脚的上拉电流为0.5µA。启动时，每个控制器的输出电压由TRACK/SS引脚的电压控制。当TRACK/SS引脚的电压低于0.8V内部参考电压时，芯片将VFB电压调节到TRACK/SS引脚电压，而不是0.8V参考电压。通过在TRACK/SS引脚连接外部电容到SGND，可以实现软启动功能；通过连接外部电阻分压器，可以使输出电压跟踪其他电源的启动。

（四）轻载工作模式

芯片在轻载时可以选择进入高效的Burst Mode、恒定频率脉冲跳过模式或强制连续导通模式。通过PLLIN/MODE引脚进行模式选择，将其连接到低于0.8V的直流电压（如SGND）选择Burst Mode；连接到INTVCC选择强制连续模式；连接到大于1.2V且小于INTVCC - 1.3V的直流电压选择脉冲跳过模式。在Burst Mode下，电感的最小峰值电流被设置为最大感测电压的约25%，当ITH电压低于0.425V时，内部睡眠信号变为高电平，两个外部MOSFET关闭，大部分内部电路也关闭，以降低静态电流。当输出电压下降时，控制器将恢复正常工作。在强制连续模式下，电感电流在轻载或大瞬态条件下允许反向，输出纹波与负载电流无关，但轻载效率低于Burst Mode。在脉冲跳过模式下，芯片在轻载时以PWM脉冲跳过模式工作，保持恒定频率运行，输出纹波和音频噪声较低，低电流效率高于强制连续模式，但低于Burst Mode。

（五）频率选择与锁相环

开关频率可以通过FREQ引脚进行选择。如果PLLIN/MODE引脚没有外部时钟驱动，FREQ引脚可以接地、连接到INTVCC或通过外部电阻进行编程。接地时选择350kHz，连接到INTVCC时选择535kHz，通过电阻可以在50kHz至900kHz之间编程。芯片还具有锁相环（PLL），可以将内部振荡器同步到连接到PLLIN/MODE引脚的外部时钟源。PLL的典型捕获范围为55kHz至1MHz，保证在75kHz至850kHz之间锁定。通过FREQ引脚设置自由运行频率接近所需的同步频率，可以实现快速锁相。

（六）多相应用

LTC3890 - 2具有CLKOUT和PHASMD引脚，可用于在多相应用中与其他控制器IC进行级联。CLKOUT引脚的时钟输出信号可用于同步多相电源解决方案中的额外功率级，PHASMD引脚用于调整CLKOUT信号的相位以及两个内部控制器之间的相对相位。

四、应用设计要点

（一）电流检测方案选择

芯片可以选择使用DCR（电感电阻）检测或低值电阻检测。DCR检测可以节省昂贵的电流检测电阻，提高功率效率，尤其适用于高电流应用；而电流检测电阻可以为控制器提供最准确的电流限制。在选择时，需要综合考虑成本、功耗和精度等因素。

（二）元件选择

1. 电感选择：电感值与工作频率相互关联，较高的工作频率允许使用较小的电感和电容值，但会增加MOSFET的开关和栅极电荷损耗，降低效率。电感值还会直接影响纹波电流，合理设置纹波电流可以在输出电压纹波和电感尺寸之间找到平衡。同时，电感的类型也需要根据应用需求进行选择，对于高效率转换器，通常需要使用低损耗的铁氧体或钼坡莫合金磁芯。
2. 功率MOSFET和肖特基二极管选择：每个控制器需要选择两个外部功率MOSFET，一个用于顶部开关，一个用于底部同步开关。选择时需要考虑导通电阻、米勒电容、输入电压和最大输出电流等因素。肖特基二极管可以在两个功率MOSFET导通之间的死区时间内导通，防止底部MOSFET的体二极管导通，提高效率。
3. 输入和输出电容选择：输入电容的选择由于2相架构而简化，其最坏情况下的RMS电流可以通过公式计算。输出电容的选择主要取决于有效串联电阻（ESR），输出纹波可以通过公式近似计算。

（三）输出电压设置

输出电压通过外部反馈电阻分压器进行设置，公式为(V{OUT }=0.8 Vleft(1+frac{R{B}}{R{A}}right))。为了提高频率响应，可以使用前馈电容(C{FF})，同时需要注意将(V_{FB})线远离噪声源。

（四）跟踪和软启动

通过TRACK/SS引脚可以实现软启动和跟踪功能。软启动通过在该引脚连接电容到地，利用内部1µA电流源对电容充电，实现输出电压的平滑上升。跟踪功能则通过连接外部电阻分压器，使输出电压在启动时跟踪其他电源的变化。

（五）INTVCC调节器

芯片具有两个内部P沟道低压差线性稳压器（LDO），根据EXTVCC引脚的连接情况，为INTVCC引脚提供5.1V电源。在高输入电压应用中，需要注意INTVCC电流的供应，避免芯片结温超过最大额定值。通过合理连接EXTVCC引脚，可以提高系统的效率和热性能。

（六）故障条件处理

在输出短路到地时，芯片的峰值电流模式控制架构可以限制电感电流。在短路条件下，芯片会开始周期跳过以限制短路电流，此时底部MOSFET将消耗大部分功率。短路纹波电流和平均短路电流可以通过相应的公式计算。

（七）锁相环和频率同步

芯片的内部锁相环可以将控制器1的顶部MOSFET的开启锁定到外部时钟信号的上升沿，控制器2的顶部MOSFET与外部时钟相差180度。锁相环的工作原理是通过相位频率检测器、低通滤波器和压控振荡器（VCO）来调整内部振荡器的频率和相位，使其与外部时钟同步。

（八）最小导通时间考虑

最小导通时间是芯片能够开启顶部MOSFET的最小时间，由内部时序延迟和开启顶部MOSFET所需的栅极电荷决定。在低占空比应用中，需要确保最小导通时间小于(frac{V{OUT }}{V{IN }(f)})，否则控制器会开始周期跳过，导致输出电压纹波和电流增加。

（九）效率考虑

开关调节器的效率等于输出功率除以输入功率乘以100%。在LTC3890 - 2电路中，主要的损耗来源包括IC VIN电流、INTVCC调节器电流、(I^{2}R)损耗和顶部MOSFET的过渡损耗。通过合理选择元件和优化电路设计，可以降低这些损耗，提高系统的效率。

（十）瞬态响应检查

通过观察负载电流瞬态响应可以检查调节器的环路响应。当负载发生阶跃变化时，输出电压会发生相应的变化，通过监测输出电压的过冲和振铃情况，可以判断系统的稳定性。OPTI - LOOP补偿可以在宽范围的输出电容和ESR值下优化瞬态响应，ITH引脚可以作为测试点来评估控制环路的性能。

（十一）PCB布局要点

PCB布局对于芯片的正常工作至关重要。在布局时，需要注意将顶部N沟道MOSFET靠近放置，保持信号和功率地分开，将VFB引脚的电阻分压器连接到输出电容的正端，将SENSE - 和SENSE + 引线一起布线，将INTVCC去耦电容靠近芯片放置，将开关节点、顶部栅极节点和升压节点远离敏感小信号节点，使用改进的星形接地技术等。同时，在调试PCB时，需要逐步检查每个控制器的性能，注意不同工作条件下可能出现的问题，如噪声拾取、环路补偿不足等。

五、典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路，包括高效双路8.5V/3.3V降压转换器、高效8.5V双相降压转换器、高效双路12V/5V降压转换器、高效双路24V/5V降压转换器、12V SEPIC和3.3V降压转换器以及高效12V 25A双相降压转换器等。这些电路展示了LTC3890 - 2在不同电压和电流输出要求下的应用，为工程师提供了参考。

六、总结

LTC3890 - 2是一款功能强大、性能优越的双路同步降压DC/DC控制器。它具有宽输入输出电压范围、低静态电流、多种控制模式和丰富的保护功能，适用于多种应用场景。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择元件和设置参数，注意PCB布局和调试，以充分发挥芯片的性能，实现高效、稳定的电源管理。你在使用LTC3890 - 2的过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。