探索LTC1628：高效2相DC/DC转换器的设计与应用

引言

在电子设备的电源设计中，高效、稳定且低电磁干扰（EMI）的电源转换器至关重要。LTC1628作为一款2相恒频同步双输出DC/DC转换器，为笔记本电脑等系统电源应用提供了理想的解决方案。本文将深入探讨LTC1628的特性、性能、操作方法以及设计要点。

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一、LTC1628概述

1. 基本特性

LTC1628演示板采用低EMI、2相、可调双开关稳压器控制器，可提供3.3V/4A和5V/4A输出，非常适合笔记本电脑系统电源应用。其独特的2相操作使两个高端MOSFET相差180°工作，显著降低了峰值输入纹波电流，从而减少了辐射和传导EMI。同时，该设计还最小化了外部元件数量、成本和尺寸。

2. 输出电压设置

输出电压可外部设置低至0.8V，控制器具备过流锁存功能（可外部禁用）以及内部电流折返功能，以应对过载情况。此外，还提供过压软锁存功能。

3. 内部线性稳压器

除了两个高电流输出外，芯片还集成了5V/50mA和3.3V/25mA线性稳压器。在可选的待机模式下，当两个高电流控制器关闭时，这些内部稳压器能够为外部系统唤醒电路供电。

4. 工作模式

提供两种低电流工作模式：Burst Mode™操作可实现最高效率，而Burst Disable模式则提供恒定频率操作，最低可降至最大设计负载的1%。频率可通过外部直流控制在130kHz至300kHz范围内调节，控制器在极低压差条件下可实现高达99%的占空比。

二、性能总结

1. 工作温度范围

演示板的工作温度范围为0°C至50°C。

2. 输入输出参数

参数	详情
输入电压范围	5.2V至30V，受外部MOSFET驱动和击穿要求限制
输出1	电压5V±0.10V，可外部调节，电流0至3A，峰值4A
输出2	电压3.33V±0.067V，可外部调节，电流0至3A，峰值4A
5V线性稳压器	5V±4%
3.3V线性稳压器	3.3V±4%
典型输出纹波（10MHz带宽，300kHz，I = 1A，3.3V和5V输出，VIN = 15V）	20mVp - P

3. 其他性能参数

参数	详情
频率（FREQSET引脚连接到INTV CC引脚）	300kHz
线性调节（V IN = 7V至20V，3.3V和5V输出）	± 1mV
负载调节（I O = 0至3A，3.3V和5V输出）	–20mV
电源电流（V IN = 15V，5V和3.3V开启，EXTV CC = V OUT1）	390 µA
关断电流（V IN = 15V，STBYMD = 0V）	20 µA
待机电流（5V INTV CC和3.3V LDO开启，V IN = 15V，RUN/SS1和RUN/SS2 = 0V，1M Ω STBYMD连接到V IN）	125 µA
效率（V IN = 15V，5V在3A和3.3V在3A）	94%

三、快速启动指南

1. 准备工作

参考图1进行电路板方向和测量设备设置，按照图示放置跳线，暂时不连接STBYMD和FCB跳线。

2. 连接负载

在VOUT1、Vout2与其最近的PGND端子之间连接所需负载，VOUT1和Vout2的负载电流最大可达4A。当负载电流超过1A时，应使用焊接导线以实现最佳性能。

3. 连接电源

将输入电源连接到电路板右侧中心的VIN和GND端子，注意不要将VIN超过30V，以免损坏MOSFET。建议初始VIN <7V。

4. 启动通道

通过移除RUN/SS1或RUN/SS2跳线来开启所需通道。

5. 验证输出

测量VOUT1和OUT2，验证在每个负载电流高达3A时，输出电压分别为5V ± 0.1V和3.3V ± 0.067V。

6. 注意事项

有源负载可能会导致结果混淆，可参考操作部分的有源负载讨论。

四、操作原理

1. 2相操作的原理和优势

在LTC1628之前，恒频双开关稳压器采用1相操作，即两个开关同时导通，导致从输入电容和电池吸取的电流脉冲幅度高达单个调节器的两倍，增加了输入电容的总RMS电流，需要使用更昂贵的输入电容，并增加了EMI和损耗。

而2相操作使双开关稳压器的两个通道相差180°工作，有效交错了来自开关的电流脉冲，大大减少了它们叠加的重叠时间，从而显著降低了总RMS输入电流。这使得可以使用更便宜的输入电容，减少了EMI屏蔽要求，并提高了实际工作效率。

2. LTC1628的操作模式

• 频率设置：内部振荡器频率由施加到FREQSET引脚的电压设置。演示板上的FREQ跳线允许选择三种不同电压：0V、跳线断开时为1.2V和5V，内部振荡器将分别运行在130kHz、200kHz和300kHz。通过向FREQSET引脚施加0V至2.4V的外部电压，频率可在130kHz至300kHz范围内连续变化。
• 低电流模式：提供两种低电流模式，Burst Mode操作可实现最大效率，而Burst Disable模式提供恒定频率操作，效率略低。恒定频率在需要最小电气噪声的应用中较为理想。
• FCB引脚功能：FCB输入引脚允许选择两个开关稳压器控制器的低电流操作模式。当FCB引脚连接到INTV CC时，启用Burst Disable模式；将FCB引脚接地会迫使控制器进入PWM或强制连续模式；当施加到FCB引脚的电压小于(INTV CC - 0.8 V)或引脚悬空时，启用Burst Mode操作。
• FLTCPL引脚功能：FLTCPL引脚允许在几种情况下实现两个控制器之间的耦合。当FLTCPL接地时，控制器独立工作；当引脚连接到INTV CC时，会出现特定操作，如FCB输入电压低于0.8V阈值时，两个控制器进入强制连续操作模式；当任一控制器因过载或短路而锁存关闭时，另一通道也会锁存关闭。
• STBYMD引脚功能：STBYMD PC板输入连接到STBYMD IC引脚。当两个开关稳压器控制器都未开启时，将STBYMD IC引脚以大于5µA的电流上拉到输入电源，可开启内部5V INTV CC和3.3V LDO稳压器。

3. 过流和过压保护

• 过流保护：RUN/SS电容CSS最初用于开启控制器并限制浪涌电流。控制器启动并为输出电容充电并提供满载电流后，CSS用作短路超时电路。如果输出电压降至其标称输出电压的70%以下，CSS开始放电，假设输出处于过流和/或短路状态。如果该状态持续足够长的时间（由CSS的大小决定），控制器将关闭，直到RUN/SS引脚电压重新循环。此内置锁存关闭功能可通过在RUN/SS引脚提供>5µA的上拉电流（4V的合规性）来覆盖。当输出电压低于其标称水平的70%时，无论短路锁存关闭电路是否启用，都会激活折返电流限制。
• 过压保护：输出通过“软锁存”保护免受过压影响。当输出电压超过调节值超过7.5%时，同步MOSFET导通并保持导通，直到过压条件消失。如果输出电压恢复到安全水平，正常操作将恢复。这种自复位动作可防止因瞬间瞬变而导致的“误跳闸”，并消除了传统OVP所需的肖特基二极管以防止Vout反转。

五、物理设计与布局提示

1. 电路板设计

演示板采用典型的4层铜PC板制造，外层为2 oz铜，内层为1 oz铜。电路板设计使用最少的外部元件，但添加了一些组件以方便可选的IC配置，这些组件在最终设计中可能不需要。

2. 布局注意事项

• 输入电路隔离：输入电路（包括外部开关MOSFET、输入电容和肖特基二极管）具有快速的电压和电流转换，应远离电流模式开关稳压器所需的敏感控制电路和环路补偿组件。
• 减少静电耦合：通过增加与大或快速移动电压信号的距离来减少静电或电容耦合问题。开关节点、二次反激绕组电压等信号点可能会导致问题，应保持相关PC迹线小并远离IC的“安静”侧。
• 减少电磁反馈：通过保持高交流电流（发射机）路径和反馈电路（接收机）路径小且短，最小化电磁或电流环路引起的反馈问题。应将输入电容、顶部MOSFET、肖特基二极管等形成的环路保持尽可能小且紧密，以减少“远场”辐射效应。
• 接地优化：LTC1628开关稳压器控制器的PGND - SGND连接点通过在IC下方直接连接接地来优化，形成紧密的表面接地平面。
• 电容放置：INTV CC上的电容应作为储备，为底部栅极提供高瞬态电流并为升压电容充电。该电容应为10µF陶瓷电容或1µF陶瓷电容与4.7µF钽电容并联，并应尽可能靠近IC的INTV CC和PGND引脚放置。
• 电压感测迹线：感测电流感测电阻两端电压的迹线可以较长，但应相互平行并保持最小间距，以感受来自辐射源的相同静电和电磁场。如果迹线较长，应比最小宽度宽，以最小化自感。

六、总结

LTC1628作为一款高性能的2相DC/DC转换器，在降低EMI、提高效率和减少元件数量方面表现出色。通过深入了解其特性、操作原理和设计要点，电子工程师可以更好地将其应用于各种电源设计中。在实际设计过程中，需要注意电路板布局和有源负载等问题，以确保电源系统的稳定和高效运行。你在使用LTC1628或类似电源转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。