深入剖析LTC3569：多功能三通道降压调节器的卓越性能与应用

一、引言

在电子设备的电源管理领域，对于能够高效、灵活地提供多电压输出的解决方案需求日益增长。LTC3569作为一款具有代表性的三通道降压调节器，凭借其独特的特性和广泛的应用场景，成为了众多工程师的首选。本文将深入探讨LTC3569的特点、工作原理、应用设计等方面，帮助电子工程师更好地了解和使用这款产品。

文件下载：LTC3569.pdf

二、LTC3569概述

2.1 产品描述

LTC3569是一款集成了三个单芯片同步降压DC/DC转换器的器件，专为中功率应用而设计。它的输入电压范围为2.5V至5.5V，工作频率可在1MHz至3MHz之间调节，也可固定为2.25MHz，这使得它能够使用小型、低成本的电容和电感。三个输出电压可通过对EN引脚进行最多15次的切换来独立编程，每次切换可将800mV的反馈参考电压降低25mV。其中，第一个降压调节器可提供高达1200mA的负载电流，另外两个降压调节器各提供600mA的电流。

2.2 主要特性

• 多通道独立调节：三个独立的电流模式降压DC/DC调节器，分别为1.2A和两个600mA输出，可满足不同负载的需求。
• 可编程参考电压：单引脚可编程VFB伺服电压，范围从800mV降至425mV，以25mV为步长，提供了灵活的输出电压设置。
• 灵活的工作模式：支持脉冲跳过或Burst Mode®操作，可根据负载情况在效率和输出纹波之间进行权衡。
• 可同步性：工作频率可在1.2MHz至3MHz之间同步，方便与外部时钟源配合使用。
• 宽输入电压范围：2.5V至5.5V的输入电压范围，适用于多种电源供电场景。
• 内部补偿：所有调节器均采用内部补偿，简化了设计过程。
• 保护功能：具备过温、短路保护功能，以及PGOOD输出标志，提高了系统的可靠性。
• 小封装：提供3mm × 3mm、3mm × 4mm 20引脚QFN和热增强型TSSOP FE - 16封装，节省了电路板空间。

三、工作原理

3.1 主控制环路

在正常工作时，每个时钟周期开始时，顶部功率开关（P沟道MOSFET）导通，电感充电，电感电流上升。当电感电流达到由内部补偿误差放大器输出ITH减去斜率补偿斜坡偏移量时，电流比较器（PCOMP）关闭P沟道开关，打开N沟道同步整流器。电感中存储的能量继续通过底部开关（N沟道）流向负载，直到电感电流接近零或下一个时钟周期开始。如果电感电流接近零，N比较器（NCOMP）会关闭N沟道开关，以防止输出电容放电。当下一个时钟上升沿到来时，P沟道开关再次导通，循环重复。

3.2 低电流操作

在轻负载情况下，FB电压可能会高于参考电压，此时误差放大器会使控制环路进入睡眠状态，P沟道开关立即关闭。电感电流通过N沟道开关放电，直到电感电流接近零，此时SW节点变为高阻态，输出电容为负载供电。当负载使输出电容放电，反馈电压下降时，误差放大器唤醒降压调节器，重新启动主控制环路。LTC3569提供了两种低电流操作模式：Burst Mode和脉冲跳过模式。

• Burst Mode：在低输出电流时可优化效率，但会导致输出电压纹波较高。在这种模式下，电感电流达到固定值后，P沟道开关会进行比较，使输出电压高于调节电压，从而延长睡眠周期，减少开关损耗和平均静态电流。
• 脉冲跳过模式：适用于对输出电压纹波要求较低的情况。在该模式下，P沟道峰值电流与误差放大器输出确定的值进行比较，然后P沟道关闭，N沟道开关打开，直到下一个周期开始或N沟道比较器关闭N沟道开关。如果NCOMP触发，SW节点变为高阻态，降压调节器不连续工作。

3.3 降压操作

当输入电源电压接近输出电压时，占空比会自动增加到100%，进入降压状态。此时，P沟道开关持续导通，输出电压等于输入电压减去内部P沟道开关和电感上的电压降。

3.4 低电源操作

LTC3569内置欠压锁定电路，当输入电压低于2.5V时，会关闭器件，以防止不稳定操作。该功能不会重置参考电压DAC。

3.5 从功率级

将两个600mA调节器中的一个的FB引脚连接到SVIN时，该调节器的控制电路将被禁用，其开关引脚将跟随主调节器，从而实现两个调节器功率级的并联，以支持更高的电流水平。

3.6 关机和软启动

将ENx引脚拉低并等待tOFF延迟期结束后，主控制环路将关闭。在关机但非从模式下，一个2k电阻会将输出电容放电。当所有三个调节器都关闭时，LTC3569进入低功耗关机状态，所有功能禁用，静态电流降至1µA以下。任何降压调节器首次开启或热关断后，都会启用软启动功能。软启动以约0.75V/ms的速率对编程的内部参考进行斜坡上升，输出电压在软启动期间跟随内部参考电压斜坡。在软启动期间，LTC3569会强制进入脉冲跳过模式，直到PGOOD标志表明输出电压接近编程的调节电压。一旦PGOOD标志触发，如果MODE引脚为高，则调节器以Burst Mode运行，否则继续以脉冲跳过模式运行。

3.7 热保护

如果芯片结温超过150°C，热关断电路将禁用LTC3569的所有功能，SW节点将通过2k下拉电阻拉低。当芯片温度降至125°C以下时，LTC3569将重新启动，且不改变编程的参考电压DAC，但热关断退出时会启动软启动。

3.8 PGOOD引脚

PGOOD引脚是一个开漏输出，当所有启用的调节器的输出电压上升到其编程水平的92%以内时，该引脚被释放。三个降压调节器各有独立的带迟滞的PGOOD比较器。如果一个启用的调节器的输出电压降至编程水平的88%以下，PGOOD标志将下降。持续时间小于2µs的输出电压瞬态下降将被屏蔽，不会在PGOOD引脚报告。如果PGOOD被拉高到高于SVIN的电压，PGOOD引脚的开漏驱动器将被禁用。

3.9 参考编程

每个调节器的满量程参考电压为0.8V，可通过对相应的EN引脚进行最多15次切换，以 - 25mV为步长将参考电压从800mV降至425mV。EN引脚的最小脉冲宽度为60ns，但不超过55µs，因为EN引脚保持高电平约125µs（tEN）后，切换计数器会超时。tEN超时后，计数器状态被锁存并发送到参考电压DAC，计数器重置为满量程。如果EN引脚再次开始切换，计数器在每个下降沿递减。如果EN引脚切换超过15次，计数器将固定在最低DAC参考水平。要将DAC重新编程为满量程，需将EN引脚拉低170µs（tOFF）以关闭降压调节器，然后将EN拉高一次，降压调节器将启动软启动，VREF斜坡上升到满量程值。

四、应用信息

4.1 工作频率选择

工作频率的选择需要在效率和元件尺寸之间进行权衡。高频操作允许使用较小的电感和电容值，但会增加内部栅极电荷损耗；低频操作可提高效率，但需要更大的电感值和/或电容来保持低输出纹波电压。LTC3569的工作频率fCLK由连接在RT引脚和地之间的外部电阻决定，其与RT的关系可通过公式 RT = (5.1855 • 10ˆ11) • (fCLK)–1.027计算，也可参考相关图表进行选择。

4.2 最小导通时间和占空比

最大可用工作频率受最小导通时间和所需占空比的限制。在降压调节器中，占空比DC = VOUT/VIN = tON/(tOFF + tON)。为避免最小导通时间问题，建议调整工作频率，使最小占空比脉冲宽度保持在80ns以上。最大时钟频率fCLKMAX可根据公式 fCLKMAX = (VOUT/VIN(MAX))/tMIN - ON进行选择。

4.3 模式选择和频率同步

MODE引脚是一个多功能引脚，用于模式选择和频率同步。将该引脚连接到SVIN可启用Burst Mode操作，以在低电流时提供最佳效率，但会导致输出电压纹波较高；将其连接到地则选择脉冲跳过操作，可提供最低的输出电压和电流纹波，但低电流效率较低。将外部时钟源连接到MODE引脚可使LTC3569与外部时钟信号同步，此时应选择RT引脚电阻，使内部振荡器频率比外部时钟频率低20%，以确保足够的斜率补偿。同步期间，模式设置为脉冲跳过。外部时钟源的最小高低脉冲宽度约为100ns。

4.4 设置输出电压

LTC3569为每个反馈引脚开发独立的内部参考电压，可通过切换相应的EN引脚将参考电压从0.8V降至0.425V，以 - 25mV为增量。输出电压由电阻分压器根据公式 VOUT = VREF(1 + R1/R2)设置。为提高效率，应使电阻中的电流保持较小（<5µA），但电流过小可能会导致杂散电容引起噪声问题并降低误差放大器环路的相位裕度。为改善频率响应，可在反馈电阻（R1、R3和R5）上跨接约20pF的前馈电容CF。同时，应注意将每个FB线路远离噪声源，如电感或SW线路，并去除FB PCB线路下方的接地平面，以限制这些引脚与地之间的杂散电容。

4.5 电感选择

电感值对纹波电流有直接影响，电感纹波电流∆IL与电感值成反比，与VIN或VOUT成正比。合理的纹波电流设置起点为∆IL = 0.3•IOUT(MAX)，最大纹波电流∆IL发生在最大输入电压时。为确保纹波电流低于指定最大值，可根据公式 L = VOUT/(fCLK•∆IL)•(1 – VOUT/VIN(MAX))选择电感值。电感值还会影响Burst Mode操作，较低的电感值会导致较高的纹波电流，使低电流操作的过渡在较低负载电流时发生，从而在低电流操作的较高范围内导致效率下降。选择电感时，其直流电流额定值应至少为最大负载电流的1.5倍，以确保电感核心在正常操作时不会饱和。若可能出现输出短路情况，应选择能够承受调节器指定最大峰值电流的电感。为最大化效率，应选择直流电阻较低的电感。

4.6 输入/输出电容选择

建议在开关调节器输出和输入电源引脚使用低等效串联电阻（ESR）的陶瓷电容，如X5R或X7R陶瓷电容，因为它们在较宽的电压和温度范围内能保持电容值。为保证良好的瞬态响应和稳定性，输入和输出电容在温度和偏置电压变化时应至少保持额定电容值的50%。在连续模式下，输入电容的最大纹波电流可通过公式 CIN required IRMS ≈ IOUT(MAX)(VOUT(VIN – VOUT))1/2/VIN近似计算，输出短路时，输入电容的纹波电流约为 CIN required IRMS ≈ IPK /√3。选择输出电容时，需要考虑负载电压下降和输出电容ESR对纹波电压的影响。负载电压下降可根据公式 COUT ≈ 2.5•∆IOUT/(fCLK •VDROOP)估算，输出电压纹波可根据公式 ∆VOUT ≈ ∆IL(ESR + 1/(8•fCLK•COUT))计算。

4.7 印刷电路板布局考虑

在设计LTC3569的PCB布局时，需要考虑以下三个主要因素：

• 开关噪声耦合：将电感和输入去耦电容尽可能靠近LTC3569放置，以减少开关噪声对FB引脚和RT引脚的耦合，以及辐射电磁感应（EMI）。在LTC3569的高频开关节点线路下方放置连续的接地平面，可减轻EMI，因为高频涡流会沿着接地平面循环。将输入去耦电容靠近相应的PVIN/PGND引脚放置，可直接减小接地回路的面积和电感。在封装接地背面下方直接放置一组过孔，连接到内部接地平面，将接地平面放置在PCB的第二层，以最小化寄生电感。
• 杂散电容：切割FB引脚和RT引脚线路下方的接地平面，以减少这些引脚与地之间的杂散电容。但在切割接地平面的地方，应跨接额外的去耦电容，为高频接地返回电流提供路径。
• 从功率级的杂散阻抗：在使用从功率级操作时，应尽量减小从开关到主开关的线路长度，以将从功率器件的杂散电感降至最低，确保从功率器件的电感电流份额不超过主器件，并控制从器件中的电流密度。电感应靠近主SW引脚放置，以最小化杂散阻抗，使主器件能够控制电感电流。

4.8 热考虑

在大多数应用中，由于LTC3569的高效率，其散热较少。但在高温环境、低电源电压和高占空比的应用中，如降压状态下，散热可能会超过器件的最大结温。为防止LTC3569超过最大结温，需要进行热分析。温度上升可根据公式 tRISE = PD• θJA计算，其中PD为调节器的功耗，θJA为芯片结到环境温度的热阻。结温TJ = tRISE + TA，其中TA为环境温度。

五、设计示例

5.1 示例1：从锂离子电池获得2.5V、1.8V和1.2V输出

在便携式应用中，使用LTC3569从锂离子电池获取2.5V、1.8V和1.2V输出。电池提供的SVIN范围为2.9V至4.2V，负载分别需要2.5V、1.8V和1.2V，最大电流分别为800mA、400mA和400mA，其中后两个负载在待机时需要1mA电流。由于两个负载需要低电流操作，选择Burst Mode。根据最小导通时间要求，最大时钟频率为3.57MHz，为简化电路板布局，选择固定的2.25MHz内部频率。

• 电感选择：计算30%纹波电流下的电感值，L1 = 1.9µH，L2 = 3.8µH，L3 = 3.1µH，选择最接近的标准值L1 = 2.2µH，L2 = L3 = 3.3µH。
• 输出电容选择：根据5%负载下降计算输出电容值，COUT1 = 7.1µF，COUT2 = 4.9µF，COUT3 = 7.4µF，选择最接近的标准值COUT1 = 10µF，COUT2 = 4.7µF，COUT3 = 10µF。选择22µF的输入电容，因为锂离子电池的输出阻抗足够低。
• 输出电压设置：不切换EN引脚时，LTC3569为每个反馈引脚开发0.8V的参考电压，通过电阻分压器设置输出电压。为改善频率响应，使用10pF和20pF的前馈电容。

5.2 示例2：双降压调节器，1.8V/1.8A和1.5V/600mA

将LTC3569配置为从2.5V至5.5V的通用电源提供1.8V和1.5V的固定电压输出，负载在待机模式下电流小于1mA，1.8V电源的最大电流为1.8A，1.5V电源的最大电流为600mA。选择固定的2.25MHz内部时钟频率，满足最小导通时间要求，选择Burst Mode以在低待机电流时实现高效率。

• 电感选择：计算30%纹波电流下的电感值，L1 = 1.0µH，L2 = 2.2µH。
• 输出电容选择：计算输出电容值，COUT1 = 22µF，COUT2 = 8.9µF，选择22µF的输入电容以支持最大纹波电流1.2A，并在SVIN和SGND之间放置0.1µF的低ESR电容。
• 电阻选择：选择最接近的标准1%电阻，以获得正确的输出电压，同时在反馈电阻上跨接20pF的前馈电容。

5.3 示例3：双可编程降压调节器，软启动到待机（1.2V）

考虑两个降压调节器从2.5V至5.5V的非稳压电源工作，需要生成两个独立可编程的电源，在待机时为1.2V，激活时为1.