LTC1876：高性能三输出开关稳压器的技术解析

在电子设备的电源管理领域，高性能开关稳压器一直是工程师们关注的焦点。LTC1876作为一款高性能三输出开关稳压器，凭借其独特的设计和出色的性能，在众多应用中展现出了强大的优势。本文将深入解析LTC1876的特点、应用及工作原理，为电子工程师们提供全面的技术参考。

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一、LTC1876的主要特性

1. 降压控制器特性

• 降低输入电容和噪声：采用异相控制器，有效减少所需的输入电容和电源感应噪声。这一特性使得在设计电路时，可以使用更小容量的输入电容，降低成本的同时，也减少了电路板的空间占用。
• 电源良好输出指示：具备Power Good输出电压指示器，方便工程师实时监测输出电压是否正常。
• OPTI - LOOP补偿：通过OPTI - LOOP补偿，可在宽范围的输出电容和ESR值下优化瞬态响应，确保输出电压的稳定性。
• 宽输入电压范围：支持3.5V至36V的宽输入电压范围，适用于多种电源环境。
• 极低的压降操作：能够实现99%的占空比，在输入电压接近输出电压时，仍能保持高效的电压转换。
• 可调软启动和短路保护：提供可调的软启动电流斜坡，避免启动时的电流冲击。同时，具备锁存短路关断功能，并可选择解除该功能，增强了电路的可靠性。
• 远程输出电压感测和过压保护：支持远程输出电压感测，能够及时检测输出电压的变化，并在过压时采取保护措施。
• 可选的工作模式：可选择恒定频率或Burst Mode™操作，以满足不同的应用需求。

2. 升压调节器特性

• 高开关频率：工作在1.2MHz的高开关频率，允许使用小型低成本的电容器和电感器，减小了电路的体积。
• 低内部开关压降：内部开关的V CESAT 低至400mV（@1A，VIN = 3V），降低了开关损耗，提高了转换效率。
• 宽输入电压范围：支持2.6V至16V的宽输入电压范围，增加了应用的灵活性。
• 高输出电压：能够提供高达34V的输出电压，满足一些对高电压有需求的应用。

二、应用领域

LTC1876适用于多种应用场景，特别是在对电源效率、体积和稳定性有较高要求的设备中。以下是一些典型的应用：

• 3.3V输入降压转换器：可将3.3V输入转换为所需的输出电压，为各种电子设备提供稳定的电源。
• 笔记本和掌上电脑：满足这些设备对电源的高效、紧凑和稳定的需求。
• 电池供电的数字设备：在电池供电的环境下，LTC1876的低功耗和高效转换特性能够延长电池的续航时间。

三、电气特性

1. 主要控制环路

• 调节反馈电压：V OSENSE1, 2 在特定条件下，调节反馈电压在0.792V至0.808V之间，确保输出电压的准确性。
• 反馈电流：I VOSENSE1, 2 反馈电流在 -5nA至 -50nA之间，为电路的稳定运行提供保障。
• 参考电压线路调节：V REFLNREG 在输入电压3.6V至30V的范围内，参考电压线路调节在0.002%/V至0.02%/V之间，保证了输出电压的稳定性。
• 输出电压负载调节：V LOADREG 在不同的负载条件下，输出电压负载调节在 -0.5%至0.5%之间，确保输出电压在负载变化时的稳定性。

2. 其他特性

• 输入直流电源电流：在不同的工作模式下，输入直流电源电流有所不同。正常模式下为350µA，待机模式下为125µA，关断模式下为20µA。
• 振荡器频率：振荡器频率可通过FREQSET引脚进行调节，范围从120kHz至360kHz，满足不同的应用需求。

四、引脚功能

1. 控制和监测引脚

• RUN/SS1, RUN/SS2：兼具软启动、运行控制输入和短路检测定时器的功能。通过连接到地的电容设置输出电流的斜坡时间，当引脚电压低于1V时，可关闭相应的控制器。
• SENSE1+, SENSE2+ 和 SENSE1-, SENSE2-：分别作为差分电流比较器的正、负输入，与ITH引脚电压和RSENSE电阻共同设置电流跳闸阈值。
• VOSENSE1, VOSENSE2：接收来自外部电阻分压器的远程感测反馈电压，用于调节输出电压。
• FREQSET：用于控制振荡器的频率，可通过外部电压源进行调节，也可用于构建真正的锁相环。
• STBYMD：控制引脚，决定控制器关闭时哪些电路保持活跃，也可作为关闭两个控制器的公共控制点。
• FCB：强制连续控制输入，可用于调节次级绕组，当引脚电压低于0.8V时，强制两个控制器进行连续同步操作。

2. 电源和驱动引脚

• 3.3VOUT：线性稳压器的输出，能够提供高达10mA的直流电流和50mA的峰值电流。
• AUXVIN：辅助升压调节器的控制器电源引脚，需与AUXPGND紧密去耦。
• TG1, TG2 和 BG1, BG2：分别为顶部和底部N沟道MOSFET的高电流栅极驱动器，提供相应的电压驱动。
• SW1, SW2：开关节点连接到电感器，电压摆动范围从肖特基二极管的电压降以下到VIN。
• BOOST1, BOOST2：为顶部浮动驱动器提供自举电源，通过连接电容和肖特基二极管实现。
• INTVCC：内部5V线性低压差稳压器和EXTVCC开关的输出，为驱动器和控制电路提供电源。
• EXTVCC：外部电源输入，当电压高于4.7V时，可绕过内部低压差稳压器，直接为INTVCC供电。

3. 其他引脚

• PGOOD：开漏逻辑输出，当VOSENSE引脚的电压不在设定值的±7.5%范围内时，引脚被拉低。

五、工作原理

1. 主控制环路

LTC1876采用恒定频率、电流模式方案，为所有输出提供出色的线路和负载调节。降压控制器的两个开关驱动器以180度异相运行，在正常操作时，顶部MOSFET根据时钟信号开启，当主电流比较器I1检测到峰值电感电流达到ITH引脚设定的阈值时，顶部MOSFET关闭。底部MOSFET在顶部MOSFET关闭后开启，直到电感电流开始反向或下一个周期开始。当输入电压接近输出电压时，环路可能进入压降状态，此时顶部MOSFET会被强制关闭一段时间，以允许自举电容CB充电。通过控制RUN/SS引脚，可以实现主控制环路的开启和关闭，同时软启动电容CSS的充电过程可以控制输出电流的上升速度。

2. 辅助调节器

辅助升压调节器与其他LTC1876电路完全独立，即使降压控制器处于关闭状态，也可以独立运行。其工作原理与控制器类似，通过振荡器OSC AUX 控制RS锁存器，开启单片功率开关。当开关电流产生的电压与稳定斜坡相加后超过PWM比较器A1 AUX 的负输入电平时，功率开关关闭。为了保护功率开关，内部设置了1A的最小电流限制。通过控制AUXSD引脚的电压，可以实现辅助调节器的开启和关闭。

3. 低电流操作

FCB引脚具有多功能性，当引脚电压低于0.8V时，控制器强制进行连续PWM电流操作；当引脚电压在0.8V至V INTVCC - 2V之间时，控制器进入Burst Mode操作。在Burst Mode操作中，当电感电流为负时，同步MOSFET会关闭，直到输出电压下降到一定程度，才会再次开启MOSFET，以保持输出电压的稳定。

4. 恒定频率操作

当FCB引脚连接到INTVCC时，Burst Mode操作被禁用，控制器提供恒定频率、不连续（防止电感电流反向）的电流操作，在较宽的输出电流范围内保持较低的噪声和恒定的频率。

5. 恒定电流（PWM）操作

将FCB引脚接地，会强制控制器进行连续电流操作。这种模式效率较低，但在某些应用中可能是必要的。需要注意的是，在强制连续操作时，如果输出电流为负，可能会导致电流回流到主电源，使输入电源电压升高，存在一定的风险。

6. 频率设置

FREQSET引脚可用于调节控制器内部振荡器的频率，范围从约140kHz至310kHz。该引脚通过内部电阻连接到1.19V参考电压，默认设置振荡器频率为约220kHz。也可以通过外部AC或DC信号源驱动该引脚，控制振荡器的瞬时频率。辅助升压调节器则以恒定的1.2MHz频率运行。

7. INTVCC / EXTVCC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。当EXTVCC引脚悬空时，内部5V低压差线性稳压器为INTVCC供电；当EXTVCC引脚电压高于4.7V时，5V稳压器关闭，内部开关开启，将EXTVCC连接到INTVCC，从而可以从高效的外部电源获取INTVCC的电源。

8. 待机模式引脚

STBYMD引脚是一个三态输入，用于控制IC内的公共电路。当引脚接地时，两个控制器的RUN/SS引脚被拉低，关闭两个控制器；当引脚悬空时，内部RUN/SS电流使能，允许开启控制器并激活必要的内部偏置；当引脚电压高于2V时，两个内部线性稳压器开启，为其他电路提供输出电源。

9. 输出过压保护

过压比较器OV用于防止输出电压出现瞬态过冲（>7.5%）以及其他可能导致输出过压的情况。当检测到过压时，顶部MOSFET关闭，底部MOSFET开启，直到过压条件消除。

10. 电源良好（PGOOD）引脚

PGOOD引脚连接到内部MOSFET的开漏极，当两个输出电压不在其标称输出电平的±7.5%范围内时，MOSFET开启，将引脚拉低；当输出电压满足要求时，MOSFET在10µs内关闭，引脚可通过外部电阻上拉至最高7V的电源。

11. 折返电流、短路检测和短路锁存

RUN/SS电容最初用于限制每个降压开关稳压器的浪涌电流。在控制器启动并为输出电容充电后，RUN/SS电容用作短路超时电路。当输出电压降至其标称输出电压的70%以下时，RUN/SS电容开始放电，如果该情况持续一段时间，两个控制器将被关闭，直到RUN/SS引脚电压恢复正常。内置的锁存功能可以通过提供大于5µA的上拉电流来覆盖。此外，当输出电压低于70%的标称水平时，折返电流限制也会被激活，确保在短路情况下提供安全的低输出电流。

六、两相操作的原理和优势

1. 两相操作的需求

在大多数双恒定频率开关稳压器中，两个调节器通常同相运行，这会导致输入电容和电池需要提供高达两倍于单个调节器的电流脉冲，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和输入电容及电池的损耗。

2. 两相操作的优势

LTC1876的双高效DC/DC控制器采用两相操作，将两个开关调节器的通道以180度异相运行，有效地交错了开关产生的电流脉冲，大大减少了电流脉冲的重叠时间。这使得总RMS输入电流显著降低，从而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。实际测量表明，两相操作将输入电流从2.53A RMS 降低到1.55A RMS ，由于功率损耗与I RMS ²成正比，实际功率损耗降低了2.66倍。同时，降低的输入纹波电压也减少了输入电源路径中的功率损耗。

七、总结

LTC1876作为一款高性能三输出开关稳压器，具有降压控制器和升压调节器的双重功能，具备多种优秀的特性和灵活的工作模式。其两相操作的设计在降低输入电容、减少EMI和提高效率方面具有显著优势。在实际应用中，电子工程师可以根据具体的需求，合理选择LTC1876的工作模式和引脚配置，以实现高效、稳定的电源管理。你在使用LTC1876的过程中遇到过哪些问题呢？你认为它在哪些应用场景中还可以进一步优化？欢迎在评论区分享你的经验和想法。