LTC3835-1：高性能同步降压控制器的深度剖析与应用指南

在电子工程师的日常设计工作中，选择合适的电源管理芯片至关重要。今天，我们就来详细探讨一下凌力尔特（现属亚德诺半导体）的LTC3835-1低IQ同步降压控制器，了解它的特点、工作原理、应用设计以及相关注意事项。

文件下载：LTC3835-1.pdf

芯片概述

LTC3835-1是一款高性能的同步降压开关稳压器控制器，它能够驱动全N沟道同步功率MOSFET级。其采用恒定频率电流模式架构，可实现高达650kHz的锁相频率。该芯片具有低静态电流（IQ）的特点，在电池供电系统中能有效延长工作时间。同时，它还具备宽输入电压范围、高精度输出电压、多种工作模式等优点，适用于汽车系统、电信系统、电池供电数字设备和分布式直流电源系统等多种应用场景。

芯片特性

电气性能卓越

1. 宽输出电压范围：输出电压范围为0.8V至10V，能满足多种不同电压需求的应用。
2. 低工作IQ：仅80μA的低工作静态电流，在电池供电系统中能显著降低功耗，延长电池续航时间。
3. 高精度输出：具备±1%的输出电压精度，确保输出电压的稳定性和准确性。
4. 宽输入电压范围：输入电压范围为4V至36V，可适应多种电池化学特性和电源类型。
5. 锁相频率可调：相位可锁定的固定频率范围为140kHz至650kHz，方便与其他电路进行同步。
6. 双N沟道MOSFET同步驱动：采用双N沟道MOSFET同步驱动，提高了转换效率。
7. 极低压差工作：可实现99%的占空比，在低压差情况下仍能稳定工作。
8. 可调输出电压软启动或跟踪：通过TRACK/SS引脚可实现输出电压的软启动或跟踪功能，避免上电时的电压过冲。
9. 输出电流折返限制：具备输出电流折返限制功能，在短路等异常情况下保护芯片和电路。
10. 输出过压保护：设有输出过压保护功能，防止输出电压过高损坏负载。
11. 低关断IQ：关断时静态电流仅10μA，进一步降低功耗。
12. 可选工作模式：在轻负载时可选择连续、脉冲跳过或Burst Mode® 等工作模式，以优化效率。

封装形式多样

提供16引脚窄SSOP或3mm × 5mm DFN封装，便于不同的PCB布局和设计需求。

工作原理

主控制回路

LTC3835-1采用恒定频率、电流模式降压架构。在正常工作时，外部顶部MOSFET在时钟置位RS锁存器时导通，当主电流比较器ICMP复位RS锁存器时关断。ICMP触发并复位锁存器的峰值电感电流由ITH引脚电压控制，该电压是误差放大器EA的输出。误差放大器将VFB引脚的输出电压反馈信号与内部0.800V参考电压进行比较，当负载电流增加时，VFB相对参考电压略有下降，EA会增加ITH电压，直到平均电感电流与新的负载电流匹配。

INTVCC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INTVCC引脚。内部5.25V低压差线性稳压器从VIN提供INTVCC电源。顶部MOSFET驱动器由浮动自举电容CB偏置，通常在顶部MOSFET关断时通过外部二极管在每个关断周期内充电。如果输入电压VIN降至接近VOUT的电压，环路可能进入压差状态，尝试连续导通顶部MOSFET。压差检测器会检测到这种情况，并每十个周期强制顶部MOSFET关断约时钟周期的十二分之一，以允许CB充电。

关断和启动

通过RUN引脚可实现LTC3835-1的关断。将该引脚拉低至0.7V以下，可关闭控制器的主控制回路，此时芯片仅消耗10μA的静态电流。释放RUN引脚后，内部0.5μA电流会将引脚拉高，使控制器启用。也可通过外部上拉或逻辑直接驱动RUN引脚，但需注意不要超过该引脚的绝对最大额定值7V。

输出电压VOUT的启动由TRACK/SS引脚的电压控制。当TRACK/SS引脚电压低于0.8V内部参考电压时，LTC3835-1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引脚与SGND之间连接外部电容，可实现软启动功能。内部1μA上拉电流对该电容充电，使TRACK/SS引脚电压线性上升，从而使输出电压VOUT从0V平稳上升到最终值。此外，TRACK/SS引脚还可用于使VOUT在启动时跟踪另一个电源。

轻负载电流操作

LTC3835-1在低负载电流时可选择进入高效Burst Mode操作、恒定频率脉冲跳过模式或强制连续导通模式。选择Burst Mode操作时，将PLLIN/MODE引脚连接到低于0.8V的直流电压；选择强制连续操作时，将PLLIN/MODE引脚连接到INTVCC；选择脉冲跳过模式时，将PLLIN/MODE引脚连接到大于0.8V且小于INTVCC - 0.5V的直流电压。

频率选择和锁相环

开关频率的选择是效率和组件尺寸之间的权衡。低频操作可通过减少MOSFET开关损耗来提高效率，但需要更大的电感和/或电容来保持低输出纹波电压。LTC3835-1的控制器开关频率可通过PLLLPF引脚进行选择。如果PLLIN/MODE引脚未由外部时钟源驱动，可将PLLLPF引脚浮空、连接到INTVCC或SGND，分别选择400kHz、530kHz或250kHz的开关频率。

LTC3835-1还具有锁相环（PLL），可将内部振荡器与连接到PLLIN/MODE引脚的外部时钟源同步。此时，应在PLLLPF引脚和SGND之间连接一个串联RC作为PLL的环路滤波器。LTC3835-1的锁相环典型捕获范围约为115kHz至800kHz，保证在140kHz至650kHz之间锁定到外部时钟源。

输出过压保护

过压比较器可防止输出电压出现瞬态过冲以及其他可能导致输出过压的严重情况。当VFB引脚电压比其调节点0.800V高出10%以上时，顶部MOSFET关断，底部MOSFET导通，直到过压情况消除。

应用设计

输出电流的Rsense选择

Rsense的值根据所需输出电流来选择。电流比较器的最大阈值为100mV/Rsense，输入共模范围为SGND至10V。电流比较器阈值设置电感电流的峰值，最大平均输出电流IMAX等于峰值减去峰峰值纹波电流ΔIL的一半。考虑到IC和外部组件值的变化，可使用公式(R{SENSE }=frac{80 mV}{I{MAX}})来计算Rsense的值。在极低压差条件下使用控制器时，由于降压调节器在占空比大于50%时需要内部补偿以满足稳定性标准，最大输出电流水平会降低。可根据操作占空比的曲线来估计峰值输出电流水平的降低。

工作频率和同步

工作频率的选择是效率和组件尺寸之间的权衡。低频操作可通过减少MOSFET开关损耗（包括栅极电荷损耗和过渡损耗）来提高效率，但对于给定的纹波电流，需要更大的电感。LTC3835-1的内部振荡器在PLLLPF引脚浮空且PLLIN/MODE引脚为直流低或高时，标称运行频率为400kHz。将PLLLPF拉至INTVCC可选择530kHz操作；将PLLLPF拉至SGND可选择250kHz操作。此外，LTC3835-1可与施加到PLLIN/MODE引脚的频率在140kHz至650kHz之间的时钟信号进行锁相。

电感值计算

工作频率和电感选择相互关联，较高的工作频率允许使用较小的电感和电容值。但较高的频率通常会因MOSFET栅极电荷损耗而导致效率降低。电感值对纹波电流有直接影响，电感纹波电流ΔIL随电感或频率的增加而减小，随VIN的增加而增加，计算公式为(Delta I{L}=frac{1}{(f)(L)} V{OUT }left(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right))。选择合理的纹波电流起始值为ΔIL = 0.3(IMAX)，最大ΔIL发生在最大输入电压时。电感值还会对Burst Mode操作产生影响，较低的电感值（较高的ΔIL）会使Burst Mode操作在较低负载电流时开始，可能导致低电流操作上限范围内的效率下降。在Burst Mode操作中，较低的电感值会使突发频率降低。

电感磁芯选择

确定电感值后，需要选择合适的电感磁芯。高效转换器通常不能承受低成本铁粉芯的磁芯损耗，因此需要使用更昂贵的铁氧体或钼坡莫合金磁芯。对于固定电感值，实际磁芯损耗与磁芯尺寸无关，但与所选电感密切相关。电感增加时，磁芯损耗降低，但需要更多的匝数，从而增加铜损。铁氧体设计具有非常低的磁芯损耗，在高开关频率下更受青睐，设计目标可集中在铜损和防止饱和上。铁氧体磁芯材料在超过峰值设计电流时会“硬”饱和，导致电感突然下降，从而使电感纹波电流和输出电压纹波突然增加，因此要避免磁芯饱和。

功率MOSFET和肖特基二极管（可选）选择

每个LTC3835-1控制器需要选择两个外部功率MOSFET：一个用于顶部（主）开关的N沟道MOSFET和一个用于底部（同步）开关的N沟道MOSFET。峰值驱动电平由INTVCC电压设置，通常在启动时为5V，因此大多数应用中需要使用逻辑电平阈值MOSFET。唯一的例外是如果预计输入电压较低（VIN < 5V），则应使用亚逻辑电平阈值MOSFET（VGS(TH) < 3V）。同时，要密切关注MOSFET的BV规格，大多数逻辑电平MOSFET限制在30V或更低。

功率MOSFET的选择标准包括“导通”电压和最大输出电流。米勒电容CMILLER可根据MOSFET制造商数据手册中提供的栅极电荷曲线进行近似计算。在连续模式下，顶部和底部MOSFET的占空比分别为： [Synchronous Switch Duty Cycle =frac{V{I N}-V{OUT }}{V{I N}}] [Main Switch Duty Cycle =frac{V{OUT }}{V_{I N}}]

MOSFET在最大输出电流时的功率损耗计算公式为： [P{MAIN }= frac{V{OUT }}{V{IN }}left(I{MAX }right)^{2}(1+delta) R{DS(ON)}+ left(V{IN }right)^{2}left(frac{I{MAX }}{2}right)left(R{DR}right)left(C{MILER }right) cdot left[frac{1}{V{INTVCC }-V{THMIN }}+frac{1}{V{THMIN }}right](f)] [P{S Y N C}=frac{V{I N}-V{OUT }}{V{I N}}left(I{MAX }right)^{2}(I+delta) R{DS(O N)}] 其中，δ是RDS(ON)的温度依赖性，RDR（约2Ω）是MOSFET米勒阈值电压下的有效驱动电阻，VTHMIN是典型MOSFET最小阈值电压。

可选的肖特基二极管D1在两个功率MOSFET导通之间的死区时间内导通，可防止底部MOSFET的体二极管导通，避免在死区时间内存储电荷并需要反向恢复时间，从而在高VIN时可提高约3%的效率。一般来说，1A至3A的肖特基二极管是两种操作区域的良好折衷选择，较大的二极管由于其较大的结电容会导致额外的过渡损耗。

Cin和Cout选择

在连续模式下，顶部MOSFET的源电流是占空比为(VOUT)/(VIN)的方波。为防止大的电压瞬变，必须使用一个根据单通道最大RMS电流大小选择的低ESR电容。最大RMS电容电流计算公式为： [C{IN } Required I{RMS } approx frac{I{MAX }}{V{IN }}left[left(V{OUT }right)left(V{IN }-V_{OUT }right)right]^{1 / 2}] 该公式在VIN = 2VOUT时达到最大值，此时IRMS = IOUT / 2。这个简单的最坏情况条件常用于设计，因为即使有显著偏差也不会有太大改善。需要注意的是，电容器制造商的纹波电流额定值通常基于2000小时的寿命，因此建议进一步降额使用电容器，或选择额定温度高于要求的电容器。也可并联多个电容器以满足设计中的尺寸或高度要求。由于LTC3835-1的工作频率较高，陶瓷电容器也可用于Cin。如有疑问，应咨询制造商。

Cout的选择主要由有效串联电阻（ESR）决定。通常，一旦满足ESR要求，电容就足以进行滤波。输出纹波（ΔVOUT）可近似为： [Delta V{OUT } approx I{RIPPLE }left(ESR+frac{1}{8 fC_{OUT }}right)] 其中，f是工作频率，Cout是输出电容，IRIPPLE是电感中的纹波电流。输出纹波在最大输入电压时最高，因为IRIPPLE随输入电压增加而增加。

设置输出电压

LTC3835-1的输出电压由仔细跨接在输出端的外部反馈电阻分压器设置，计算公式为： [V{OUT }=0.8 V cdotleft(1+frac{R{B}}{R_{A}}right)] 为提高频率响应，可使用前馈电容CFF。同时，要特别注意将VFB线远离噪声源，如电感和SW线。

SENSE+和SENSE–引脚

电流比较器的共模输入范围为0V至10V，在该范围内提供连续线性操作，允许输出电压从0.8V到10V。电流比较器的输入级根据输出电压需要从SENSE引脚提供或吸收电流。如果输出电压低于1.5V，电流将从两个SENSE引脚流出到主输出。在这种情况下，可通过Vout电阻分压器轻松预加载输出，以补偿电流比较器的负输入偏置电流。由于VFB被伺服到0.8V参考电压，图1中的RA应选择小于0.8V/ISENSE，其中ISENSE根据指定输出电压从图2中确定。

跟踪和软启动（TRACK/SS引脚）

输出电压VOUT的启动由TRACK/SS引脚的电压控制。当TRACK/SS引脚电压低于内部0.8V参考电压时，LTC3835-1将VFB引脚电压调节到TRACK/SS引脚电压，而不是0.8V。TRACK/SS引脚可用于编程外部软启动功能，或使VOUT在启动时“跟踪”另一个电源。

软启动可通过在TRACK/SS引脚与地之间连接一个电容来实现。内部1μA电流源对电容充电，在TRACK/SS引脚提供线性斜坡电压。LTC3835-1将根据TRACK/SS引脚的电压调节VFB引脚（从而调节VOUT），使VOUT从0V平稳上升到最终调节值。总软启动时间约为： [t{S S}=C{S S} cdot frac{0.8 V}{1 mu A}]

此外，TRACK/SS引脚还可用于在启动时跟踪两个（或多个）电源。通过将电阻分压器从主电源（VX）连接到从电源（VOUT）的TRACK/SS引脚，VOUT将根据电阻分压器设置的比例跟踪VX。对于同步跟踪（VOUT = VX在启动时），RA = RTRACKA且RB = RTRACKB。

INTVCC调节器

LTC3835-1具有内部P沟道低压差线性稳压器（LDO），从VIN电源引脚为INTVCC引脚提供电源。INTVCC为栅极驱动器和LTC3835-1的大部分内部电路供电。VIN LDO将INTVCC引脚的电压调节到5.25V，可提供50mA的峰值电流，并且必须通过至少4.7μF钽电容、10μF特殊聚合物电容或低ESR电解电容接地旁路。如果添加一个1Ω电阻与电容串联，也可使用最小4.7μF的陶瓷电容。无论使用哪种类型的大容量电容，都强烈建议在INTVCC和PGND IC引脚旁边直接放置一个额外的1μF陶瓷电容。良好的旁路对于提供MOSFET栅极驱动器所需的高瞬态电流以及防止通道之间的相互作用非常重要。

故障条件：电流限制和电流折返

LTC3835-1包括电流折返功能，以帮助在输出短路到地时限制负载电流。如果输出降至其标称输出水平的70%以下，最大感测电压将从100mV逐渐降低到30mV。在占空比非常低的短路条件下，LTC3835-1将开始跳周期以限制短路电流。在这种情况下，底部MOSFET将消耗大部分功率，但比正常操作时少。短路纹波电流由LTC3835-1的最小导通时间tON(MIN)（约180ns）、输入电压和电感值决定： [Delta I{L(S C)}=t{ON(MIN)}left(V{IN} / Lright)] 由此产生的短路电流为： [I{S C}=frac{10 mV}{R{SENSE }}-frac{1}{2} Delta I{L(S C)}]

故障条件：过压保护（撬棒）

过压撬棒设计用于在稳压器输出电压远高于标称水平时熔断系统输入保险丝。撬棒会导致大电流流动，熔断保险丝以防止在控制器运行时顶部MOSFET短路。

比较器监测输出是否存在过压情况。比较器（