LT8471：双路多拓扑DC/DC转换器的卓越之选

在电子设计领域，DC/DC转换器是实现电源转换和管理的关键组件。Linear Technology的LT8471作为一款双路多拓扑DC/DC转换器，凭借其丰富的功能和出色的性能，在众多应用场景中展现出强大的优势。今天，我们就来深入了解一下这款转换器。

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一、产品概述

LT8471包含两个内部2A、50V开关和一个额外的500mA开关，可实现降压和反相转换。每个2A通道都能独立配置为降压、升压、SEPIC、反激或反相转换器，能够从单个输入轨生成正输出和负输出，非常适合许多本地电源设计。

二、产品特性

（一）强大的开关通道

• 具备双2A和一个500mA、50V内部电源开关通道。2A主通道可配置为多种拓扑结构的DC/DC转换器，如降压、升压、SEPIC、ZETA、反激或反相转换器。500mA的Skyhook通道能高效生成升压后的输入电压。

  （二）宽输入电压范围

  输入电压范围为2.6V至50V，能适应多种不同的电源环境。

  （三）可编程功能

• UVLO和OVLO：通过OV/UV引脚可进行可编程欠压锁定（UVLO）和过压锁定（OVLO）。
• 软启动：每个通道的软启动功能都可进行编程，有效限制启动时的电流冲击。

  （四）频率控制

• 固定频率PWM，可通过RT引脚设置或同步到外部时钟。反相开关可减少输入纹波，提高电源的稳定性。

  （五）多种封装形式

  提供20引脚TSSOP和28引脚QFN封装，方便不同的设计需求。

三、应用领域

（一）信号链双轨电源

为信号链提供稳定的双轨电源，确保信号处理的准确性和可靠性。

（二）多种拓扑组合

可实现降压/降压、降压/升压、升压/升压、升压/反相、反相/反相、降压/反相等多种拓扑组合，满足不同应用的电源需求。

四、工作原理

（一）主通道

两个主通道可独立配置为不同的DC/DC转换器，采用恒定频率、电流模式控制方案来提供线路和负载调节。通道1的时钟与内部振荡器或SYNC引脚同相，通道2的时钟与通道1的时钟大约相差180°，以减少瞬态开关尖峰。在每个时钟相位开始时，SR锁存器置位，打开内部电源开关，当电流达到由VC1/VC2电压确定的水平时，开关关闭。误差放大器通过外部电阻分压器测量输出电压，并调节VC1/VC2电压，从而控制输出电流。

（二）Skyhook通道

当任一通道配置为降压、ZETA或单电感反相转换器时，Skyhook通道提供升压后的电压，为NPN功率开关提供基极电流。Skyhook是一个恒定频率、电压模式升压转换器，包含一个集成在芯片上的肖特基二极管，其输出SHOUT被调节到比C2引脚电压高约4.25V。如果不需要Skyhook通道，可将C3引脚接地以减少电流消耗。

（三）启动操作

• OV/UV引脚监测：内部电压参考监测OV/UV引脚电压，提供精确的开启电压范围，可通过外部电阻或电阻分压器实现可编程的欠压和过压锁定功能。
• 软启动电路：为主要通道的开关电流和Skyhook通道的占空比提供逐渐上升的过程。启动时，外部SS电容先放电，然后内部250k电阻将SS引脚拉至约2.15V，通过连接外部电容可设置引脚的电压上升速率。
• 频率折返：当相应的FB引脚电压低于某些阈值时，主通道的开关频率会折返2、4或8倍，减少最小占空比，便于在启动时更好地控制开关电流。

（四）热关断操作

当芯片温度超过约164°C时，热关断电路会触发，SR21和SR22锁存器置位。当温度降至约162.5°C以下时，将启动完整的软启动周期，保护功率开关和外部组件。

五、设计要点

（一）输入电源要求

• 低侧配置：E引脚通常接地，C引脚切换，相应通道的VIN必须在2.6V至40V范围内工作。
• 高侧配置：C引脚连接到正直流电压源，E引脚切换，通道的VIN引脚应比相应的C引脚至少高2.2V，以提供足够的驱动。VIN可在高于地50V、高于相应E引脚电压60V、高于相应C引脚电压40V的范围内工作。

  （二）开关配置和Skyhook调节器

• 主通道NPN功率开关可采用低侧或高侧配置。低侧连接适用于升压、SEPIC、反激和双电感反相配置；高侧连接适用于降压、ZETA和单电感反相配置。
• Skyhook升压调节器可在需要支持高侧开关拓扑时提供额外的VIN电压，其输出SHOUT被调节到比C2引脚电压高约4.25V。

  （三）内部欠压锁定

  LT8471会监测VIN1和VIN2的电源电压，当检测到电压过低时，相应的功率开关会停用，软启动电容会放电。当电压恢复正常时，功率开关会重新启用，软启动电容开始充电。

  （四）振荡器和时钟同步

• 内部自由运行振荡器可设置LT8471的工作频率，通过RT引脚到地的电阻来确定。也可将工作频率同步到外部时钟源，只需将数字时钟信号输入SYNC引脚。SYNC信号的占空比必须在35%至65%之间，频率应在100kHz至2MHz范围内，且不应低于自由运行振荡器频率的25%。

  （五）软启动

  通过在SS1和SS2引脚连接外部电容（通常为100nF至1μF），可限制启动时的峰值开关电流。在关机、内部欠压锁定或热锁定时，软启动电容会自动放电，确保每次芯片重新激活时都能进行软启动。

  （六）关机

  OV/UV引脚用于启用和禁用芯片。当OV/UV电压低于1.215V（典型值）时，开关活动被禁用；当低于300mV时，芯片进入关机状态，静态电流非常低；电压在1.215V至1.37V之间时，芯片正常工作。

  （七）输出电压设置

  通过在输出和FB引脚之间连接电阻分压器来设置输出电压，可根据公式 (R{A}=R{B} cdotleft(frac{V{OUT }}{V{FB}}-1right)) 选择合适的电阻值。

  （八）启动顺序

  通过将一个主通道的PG引脚连接到另一个通道的SS引脚，可实现输出的启动顺序控制。例如，将PG1连接到SS2可使通道1的输出在启动时先于通道2的输出。

  （九）功率开关占空比

  为了保持环路稳定性并向负载提供足够的电流，内部功率开关的占空比不能达到100%。最大允许占空比由公式 (D C{MAX }=left(frac{T{P}-MIN{(OFF) TIME }}{T{P}}right) cdot 100 %) 确定，不同拓扑结构的占空比计算公式也有所不同。

  （十）电感选择

• 一般准则：选择具有高频核心材料（如铁氧体）的电感，以减少核心损耗；选择体积较大的电感，以提高效率；电感应具有低DCR，以减少 (I^{2}R) 损耗，并能承受峰值电感电流而不饱和。
• 最小电感：要满足提供足够负载电流和避免次谐波振荡的要求，不同拓扑结构的最小电感计算公式不同。
• 最大电感：过大的电感会导致电流纹波难以被电流比较器区分，从而引起占空比抖动和调节不良，可根据相应公式计算最大电感。
• 最大电流额定值：电感必须能够承受峰值工作电流，以防止电感饱和导致效率损失。

  （十一）电容选择

• 输出端应使用低ESR电容，以最小化输出纹波电压，多层陶瓷电容是不错的选择。输入去耦电容也应使用低ESR电容，并尽可能靠近LT8471放置。

  （十二）补偿理论

  主通道需要进行补偿以实现稳定和高效的运行，使用两个反馈回路，其中电压回路需要补偿。通过标准的波特图分析可分析和调整电压反馈回路，计算DC增益、极点和零点等参数。

  （十三）二极管选择

  建议使用肖特基二极管，其正向电压降小、开关速度快。每个主通道需要一个外部二极管作为第二个开关，根据平均正向电流选择合适的二极管，并考虑其寄生电容和反向泄漏电流。

  （十四）Skyhook配置要求

  Skyhook为高侧配置的通道提供升压后的VIN电压，SHOUT输出被调节到比C2引脚电压高约4.25V。如果不需要Skyhook通道，可将C3引脚接地以减少VIN1的电流消耗。

  （十五）Skyhook电容和二极管选择

• 输出端应使用低ESR电容，以最小化电压纹波，可根据需要调整电容值以改善稳定性。
• 可连接外部肖特基二极管以提高高负载电流时的性能，输出电流可根据公式 (OUT cong frac{left(V{C C}+4.25 Vright) cdotleft(I{OUT 1} cdot D C{1}+I{OUT 2} cdot DC{2}right)}{beta cdot V{C C} cdot eta}) 估算。

  （十六）Skyhook电感选择

• 选择电感时要满足提供足够负载电流、避免功率开关电流过冲和保持良好环路稳定性的要求，可根据不同条件计算最小电感。
• 电感的饱和电流应不低于500mA，以避免电感饱和。

  （十七）Skyhook补偿

  Skyhook内部进行补偿，通过电感和输出电容调整环路稳定性。一般情况下，使用15μH的电感和0.47μF的输出电容可获得良好的稳定性，可根据具体情况进行调整。

  （十八）热考虑

  为了使LT8471能够输出全部功率，需要提供良好的散热路径。可利用IC底部的散热垫，通过在印刷电路板上设置多个过孔将热量传导到尽可能大的铜平面上。

  （十九）功率和热计算

  功率损耗主要来自开关 (I^{2}R) 损耗、开关动态损耗、NPN基极驱动DC损耗和杂散输入电流损耗。可根据相应公式计算功率损耗和芯片结温。

  （二十）布局指南

• 布局时要注意减少辐射和传导噪声，高速开关电流路径应尽可能短，每个通道的高速开关电流环路面积应最小化。
• 使用接地平面可防止层间耦合和整体噪声，但开关引脚连接的平面下不应有接地平面，以减小开关引脚的杂散电容。
• 电路板布局对热阻有显著影响，应将暴露的封装接地垫焊接到电路板上，并提供足够的铜面积和多个过孔以改善散热。

六、典型应用

文档中给出了多个典型应用电路，如宽输入范围降压转换器与升压转换器、跟踪±12V电源、宽输入范围±5V输出转换器、升压转换器与降压转换器等。这些应用电路展示了LT8471在不同场景下的性能和稳定性，为工程师的设计提供了参考。

七、总结

LT8471作为一款功能强大的双路多拓扑DC/DC转换器，具有丰富的特性和广泛的应用领域。在设计过程中，需要综合考虑输入电源要求、开关配置、电感和电容选择、补偿等多个方面，以确保转换器的性能和稳定性。同时，合理的布局和散热设计也至关重要。希望通过本文的介绍，能帮助电子工程师更好地了解和应用LT8471，为电源设计带来更多的可能性。你在使用LT8471的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。