LTC3855：高性能双路多相同步DC/DC控制器的深度剖析与应用指南

在电子设备的电源管理领域，DC/DC控制器扮演着至关重要的角色。今天，我们将深入探讨Linear Technology公司的LTC3855双路多相同步DC/DC控制器，它在提高电源效率、降低噪声等方面表现卓越，广泛应用于计算机系统、电信系统、工业和医疗仪器以及DC电源分配系统等领域。

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1. 产品特性亮点

1.1 高效节能

LTC3855具备高达95%的转换效率，这得益于其先进的设计和优化的电路结构。它采用双路180°异相控制器，有效降低了所需的输入电容和电源感应噪声，减少了能量损耗，提高了整体效率。

1.2 灵活的电流检测方式

支持RSENSE或DCR电流检测，并且可编程DCR温度补偿。这种灵活性使得设计师可以根据具体应用需求选择最合适的电流检测方法，同时通过温度补偿确保在不同温度环境下的精确控制。

1.3 精确的输出电压控制

具有±0.75%的0.6V输出电压精度，能够为负载提供稳定、精确的电压输出。同时，其锁相固定频率范围为250kHz至770kHz，可根据不同应用场景进行灵活调整。

1.4 宽输入输出电压范围

输入电压范围为4.5V至38V，输出电压范围在无差分放大器时为0.6V至12.5V，有差分放大器时为0.6V至3.3V，能够适应多种电源输入和负载需求。

1.5 多相操作能力

支持时钟输入和输出，可实现多达12相的操作，进一步提高了电源的输出能力和效率。

1.6 保护功能完善

具备可调节软启动或输出电压跟踪功能、折返式输出电流限制以及输出过压保护等功能，确保了系统的稳定性和可靠性。

2. 引脚功能详解

2.1 温度检测输入引脚（ITEMP1, ITEMP2）

连接到靠近电感的外部NTC电阻，用于实现DCR温度补偿功能。当引脚浮空时，该功能将被禁用。

2.2 运行控制输入引脚（RUN1, RUN2）

通过施加高于1.2V的电压来开启相应通道的IC，低于1.2V则关闭该通道的电路。引脚具有1µA的上拉电流，当电压高于1.2V时，还会额外增加4.5µA的上拉电流。

2.3 电流检测比较器输入引脚（SENSE1+, SENSE2+; SENSE1–, SENSE2–）

分别连接到DCR传感网络或电流传感电阻，用于检测电流。这些引脚为高阻抗输入，确保了精确的电流检测。

2.4 输出电压跟踪和软启动输入引脚（TK/SS1, TK/SS2）

可用于设置输出电压的斜坡率，实现软启动或跟踪功能。内部1.2µA的上拉电流对连接的电容充电，产生电压斜坡，从而控制输出电压的上升。

2.5 电流控制阈值和误差放大器补偿点引脚（ITH1, ITH2）

每个通道的电流比较器跳闸阈值随ITH引脚的控制电压增加而增加，用于精确控制电感电流。

2.6 误差放大器反馈输入引脚（VFB1, VFB2）

接收来自外部电阻分压器的远程感应反馈电压，用于与内部参考电压进行比较，实现输出电压的精确调节。

2.7 远程感应差分放大器引脚（DIFFP, DIFFN, DIFFOUT）

用于实现真正的远程感应，提高在高电流、低电压应用中的调节精度。DIFFP和DIFFN应平行布线，并避免靠近高速开关节点，以确保信号完整性。

2.8 电流比较器感测电压范围输入引脚（LIM1, LIM2）

可连接到SGND、INTV CC或浮空，用于设置每个比较器的最大电流感测阈值。

2.9 电源良好指示输出引脚（PGOOD1, PGOOD2）

当通道输出超出±10%的调节窗口时，引脚被拉低，指示电源状态。

2.10 外部电源输入引脚（EXTV CC）

当电压高于4.7V时，通过内部开关连接到INTV CC，为IC供电，可提高效率。

2.11 内部5V调节器输出引脚（INTV CC）

为控制电路和MOSFET驱动器供电，需使用至少4.7µF的低ESR钽或陶瓷电容进行去耦。

2.12 主输入电源引脚（VIN）

需要使用电容（0.1µF至1µF）进行去耦，以减少电源噪声。

2.13 底部栅极驱动器输出引脚（BG1, BG2）

驱动底部N沟道MOSFET的栅极，实现同步开关。

2.14 电源接地引脚（PGND1, PGND2）

应紧密连接到底部N沟道MOSFET的源极、CVCC的负极和CIN的负极，确保良好的接地。

2.15 升压浮动驱动器电源引脚（BOOST1, BOOST2）

连接到自举电容的正极，为顶部MOSFET驱动器提供电源。

2.16 顶部栅极驱动器输出引脚（TG1, TG2）

驱动顶部N沟道MOSFET的栅极，实现同步开关。

2.17 开关节点连接引脚（SW1, SW2）

连接到电感，电压摆动范围从肖特基二极管电压降以下到VIN。

2.18 相位模式引脚（PHASMD）

用于确定内部控制器之间的相对相位以及CLKOUT信号的相位，可连接到SGND、INTV CC或浮空。

2.19 时钟输出引脚（CLKOUT）

可用于同步多相电源系统中的其他功率级，减少输入电容的ESR要求和效率损失。

2.20 模式/锁相环输入引脚（MODE/PLLIN）

具有双重功能，可选择操作模式（强制连续模式、脉冲跳过模式或突发模式），也可用于外部同步。

2.21 频率设置引脚（FREQ）

通过连接到地的电阻设置电压，从而编程内部振荡器的频率。

2.22 信号接地引脚（SGND）

所有小信号组件和补偿组件应连接到该接地，最终连接到PGND。

3. 工作原理分析

3.1 主控制环路

LTC3855是一款恒频、电流模式降压控制器，两个通道以180°异相运行。在正常操作中，每个顶部MOSFET在时钟信号设置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重置RS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。当负载电流增加时，VFB引脚的电压相对于0.6V参考电压略有下降，导致ITH电压增加，直到平均电感电流匹配新的负载电流。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周期开始。

3.2 INTV CC / EXTV CC电源

顶部和底部MOSFET驱动器以及大多数其他内部电路的电源来自INTV CC引脚。当EXTV CC引脚浮空或连接到低于4.7V的电压时，内部5V线性稳压器从VIN提供INTV CC电源。当EXTV CC电压高于4.7V时，5V稳压器关闭，内部开关开启，连接EXTV CC。使用EXTV CC引脚可以从高效的外部源（如LTC3855开关稳压器的输出）获取INTV CC电源。

3.3 关机和启动

通过RUN1和RUN2引脚可以独立关闭LTC3855的两个通道。将任一引脚拉低至1.2V以下将关闭相应控制器的主控制环路。释放RUN引脚后，内部1µA电流将引脚拉高，使控制器启用。启动时，每个控制器的输出电压Vout由TK/SS1和TK/SS2引脚的电压控制。当TK/SS引脚电压低于0.6V内部参考电压时，LTC3855将VFB电压调节到TK/SS引脚电压，而不是0.6V参考电压。通过连接外部电容到TK/SS引脚，可以设置软启动周期。

3.4 轻载电流操作

LTC3855可以进入高效突发模式操作、恒频脉冲跳过模式或强制连续传导模式。通过MODE/PLLIN引脚选择不同的操作模式。在突发模式下，电感中的峰值电流设置为最大感测电压的约三分之一。当平均电感电流高于负载电流时，误差放大器EA将降低ITH引脚的电压。当ITH电压低于0.5V时，内部睡眠信号变高，两个外部MOSFET关闭。在睡眠模式下，负载电流由输出电容提供。当输出电压下降到一定程度时，睡眠信号变低，控制器恢复正常操作。

3.5 多芯片操作

PHASMD引脚确定内部控制器之间的相对相位以及CLKOUT信号的相位。CLKOUT信号可用于同步多相电源系统中的其他功率级，减少输入电容的ESR要求和效率损失。

3.6 差分放大器输出电压感测

LTC3855包含一个低失调、单位增益、高带宽的差分放大器，用于需要真正远程感测的应用。直接跨负载电容感测负载电压可以大大提高高电流、低电压应用中的调节精度。

3.7 电感DCR感测温度补偿

电感DCR电流感测提供了一种无损的瞬时电流感测方法，可提高高输出电流应用的效率。然而，铜电感的DCR通常具有正温度系数，随着电感温度升高，DCR值增加，控制器的电流限制降低。LTC3855通过允许用户在电感附近放置NTC温度传感电阻来补偿这种误差。通过连接NTC电阻到ITEMP引脚，可以根据温度调整最大电流感测阈值。

3.8 频率选择和锁相环

通过FREQ引脚可以选择LTC3855控制器的开关频率，范围为250kHz至770kHz。内部集成了锁相环（PLL），可将内部振荡器同步到连接到MODE/PLLIN引脚的外部时钟源。

3.9 电源良好指示

当VFB引脚电压不在0.6V参考电压的±10%范围内时，PGOOD引脚被拉低。此外，当RUN引脚低于1.2V或LTC3855处于软启动或跟踪阶段时，PGOOD引脚也会被拉低。

3.10 输出过压保护

过压比较器OV可防止输出电压出现瞬态过冲（>10%）以及其他可能导致输出过压的严重情况。在这种情况下，顶部MOSFET关闭，底部MOSFET开启，直到过压条件消除。

4. 应用信息与设计要点

4.1 电流限制编程

ILIM引脚是一个三电平逻辑输入，用于设置控制器的最大电流限制。当ILIM接地、浮空或连接到INTV CC时，最大电流感测阈值的典型值分别为30mV、50mV或75mV。通过向ITEMP引脚施加低于0.5V的电压，可以将最大电流感测阈值调整到这些设置之间的值。

4.2 电流感测方法

4.2.1 低阻值电阻电流感测

使用离散电阻进行电流感测时，RSENSE的值根据所需的输出电流选择。电流比较器的最大阈值VSENSE(MAX)由ILIM设置，输入共模范围为0V至12.5V。为了获得良好的信噪比，建议在设计中检查AC电流感测纹波∆VSENSE。在高密度/高电流应用中，需要考虑感测电阻的寄生电感对感测信号的影响，可以使用RC滤波器来提取电阻分量。

4.2.2 电感DCR感测

对于需要在高负载电流下实现最高效率的应用，LTC3855能够感测电感DCR上的电压降。为了正确设计外部滤波器组件，需要知道电感的DCR值，并根据公式计算目标感测电阻值和外部电阻的值。同时，需要确保在整个工作温度范围内应用能够提供满载电流。

4.2.3 NTC补偿DCR感测

在需要更精确电流限制的DCR感测应用中，可以使用由NTC热敏电阻组成的网络来补偿温度对电流限制的影响。通过计算ITEMP引脚的电阻和电压，以及RP和RS的值，可以实现更精确的电流限制。

4.3 电感值计算

电感值和工作频率fosc直接决定了电感的峰峰值纹波电流。为了降低电感的核心损耗、输出电容的ESR损耗和输出电压纹波，应选择较低的纹波电流。在选择电感值时，需要考虑输入和输出电压、工作频率以及所需的纹波电流。

4.4 电感核心选择

选择电感核心时，需要考虑核心损耗和铜损耗。铁氧体设计具有非常低的核心损耗，在高开关频率下是首选。但需要注意避免核心饱和，以免导致电感纹波电流和输出电压纹波突然增加。

4.5 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。选择功率MOSFET时，需要考虑导通电阻RDS(ON)、米勒电容CMILLER、输入电压和最大输出电流。可选的肖特基二极管可以防止底部MOSFET的体二极管导通，提高效率。

4.6 软启动和跟踪

LTC3855可以通过连接电容到TK/SS引脚实现软启动，也可以跟踪另一个通道或外部电源的输出。软启动或跟踪是通过控制输出斜坡电压来实现的，而不是限制控制器的最大输出电流。在软启动或跟踪阶段，电流折返功能被禁用，以确保平滑的启动或跟踪过程。

4.7 输出电压跟踪

通过TK/SS引脚，LTC3855可以实现输出电压的重合跟踪或比例跟踪。重合跟踪模式提供更好的输出调节，但需要额外的电阻；比例跟踪模式节省一对电阻，但输出调节效果相对较差。

4.8 INTV CC调节器和EXTV CC

LTC3855具有一个真正的PMOS LDO，从VIN电源为INTV CC供电。EXTV CC可以在其电压高于4.7V时连接到INTV CC，为IC提供电源。使用EXTV CC可以提高效率，降低结温。

4.9 顶部MOSFET驱动器电源

外部自举电容CB连接到BOOST引脚，为顶部MOSFET驱动器提供栅极驱动电压。电容CB在顶部MOSFET关闭时通过外部二极管从INTV CC充电。为了确保MOSFET的正常开启，CB的电容值需要是顶部MOSFET总输入电容的100倍。

4.10 欠压锁定

LTC3855具有两个欠压保护功能。一个是精确的UVLO比较器，用于监测INTV CC电压，当电压低于3.2V时锁定开关动作。另一个是通过监测VIN电源，使用电阻分压器来确保VIN足够高时开启IC。

4.11 CIN和COUT选择

CIN的选择需要考虑最坏情况下的RMS电流，通过两相架构可以降低输入电容的RMS纹波电流。COUT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∆VOUT ≈ IRIPPLE(ESR + 1/(8fCOUT))进行近似计算。

4.12 设置输出电压

LTC3855的输出电压通过外部反馈电阻分压器设置，公式为VOUT = 0.6V · (1 + RB/RA)。为了提高频率响应，可以使用前馈电容CFF。

4.13 故障条件：电流限制和电流折返

LTC3855包含电流折返功能，当输出短路到地时，最大感测电压会从最大编程值逐渐降低到最大值的三分之一。在软启动或跟踪阶段，电流折返功能被禁用。

4.14 锁相环和频率同步

LTC3855具有锁相环（PLL），可以将控制器1的顶部MOSFET的开启锁定到施加到MODE/PLLIN引脚的外部时钟信号的上升沿。控制器2的顶部MOSFET与外部时钟信号相差180°。

4.15 最小导通时间考虑

最小导通时间tON(MIN)是LTC3855能够开启顶部MOSFET的最小时间。在低占空比应用中，需要确保tON(MIN) < VOUT/(VIN(f))，以避免控制器跳过周期，导致输出纹波电压和电流增加。

4.16 效率考虑

开关稳压器的效率等于输出功率除以输入功率乘以100%。LTC3855电路中的主要损耗源包括IC VIN电流、INTV CC调节器电流、I²R损耗和顶部MOSFET过渡损耗。通过合理选择组件和优化电路设计，可以提高效率。

4.17 检查瞬态响应

通过观察负载电流瞬态响应可以检查调节器环路响应。开关稳压器需要几个周期来响应直流（电阻性）负载电流的阶跃变化。在负载阶跃发生时，VOUT会发生偏移，同时开始对COUT充电或放电，产生反馈误差信号，迫使调节器适应电流变化并将VOUT恢复到稳态值。在恢复过程中，可以监测VOUT是否存在过度过冲或振铃，以判断系统的