探索LTC1628：高效2相DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，高效、穩(wěn)定且低電磁干擾（EMI）的電源轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。LTC1628作為一款2相恒頻同步雙輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器，為筆記本電腦等系統(tǒng)電源應(yīng)用提供了理想的解決方案。本文將深入探討LTC1628的特性、性能、操作方法以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、LTC1628概述

1. 基本特性

LTC1628演示板采用低EMI、2相、可調(diào)雙開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器，可提供3.3V/4A和5V/4A輸出，非常適合筆記本電腦系統(tǒng)電源應(yīng)用。其獨(dú)特的2相操作使兩個(gè)高端MOSFET相差180°工作，顯著降低了峰值輸入紋波電流，從而減少了輻射和傳導(dǎo)EMI。同時(shí)，該設(shè)計(jì)還最小化了外部元件數(shù)量、成本和尺寸。

2. 輸出電壓設(shè)置

輸出電壓可外部設(shè)置低至0.8V，控制器具備過(guò)流鎖存功能（可外部禁用）以及內(nèi)部電流折返功能，以應(yīng)對(duì)過(guò)載情況。此外，還提供過(guò)壓軟鎖存功能。

3. 內(nèi)部線性穩(wěn)壓器

除了兩個(gè)高電流輸出外，芯片還集成了5V/50mA和3.3V/25mA線性穩(wěn)壓器。在可選的待機(jī)模式下，當(dāng)兩個(gè)高電流控制器關(guān)閉時(shí)，這些內(nèi)部穩(wěn)壓器能夠?yàn)橥獠肯到y(tǒng)喚醒電路供電。

4. 工作模式

提供兩種低電流工作模式：Burst Mode?操作可實(shí)現(xiàn)最高效率，而B(niǎo)urst Disable模式則提供恒定頻率操作，最低可降至最大設(shè)計(jì)負(fù)載的1%。頻率可通過(guò)外部直流控制在130kHz至300kHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，控制器在極低壓差條件下可實(shí)現(xiàn)高達(dá)99%的占空比。

二、性能總結(jié)

1. 工作溫度范圍

演示板的工作溫度范圍為0°C至50°C。

2. 輸入輸出參數(shù)

3. 其他性能參數(shù)

三、快速啟動(dòng)指南

1. 準(zhǔn)備工作

參考圖1進(jìn)行電路板方向和測(cè)量設(shè)備設(shè)置，按照?qǐng)D示放置跳線，暫時(shí)不連接STBYMD和FCB跳線。

2. 連接負(fù)載

在VOUT1、Vout2與其最近的PGND端子之間連接所需負(fù)載，VOUT1和Vout2的負(fù)載電流最大可達(dá)4A。當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)1A時(shí)，應(yīng)使用焊接導(dǎo)線以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

3. 連接電源

將輸入電源連接到電路板右側(cè)中心的VIN和GND端子，注意不要將VIN超過(guò)30V，以免損壞MOSFET。建議初始VIN <7V。

4. 啟動(dòng)通道

通過(guò)移除RUN/SS1或RUN/SS2跳線來(lái)開(kāi)啟所需通道。

5. 驗(yàn)證輸出

測(cè)量VOUT1和OUT2，驗(yàn)證在每個(gè)負(fù)載電流高達(dá)3A時(shí)，輸出電壓分別為5V ± 0.1V和3.3V ± 0.067V。

6. 注意事項(xiàng)

有源負(fù)載可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果混淆，可參考操作部分的有源負(fù)載討論。

四、操作原理

1. 2相操作的原理和優(yōu)勢(shì)

在LTC1628之前，恒頻雙開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器采用1相操作，即兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致從輸入電容和電池吸取的電流脈沖幅度高達(dá)單個(gè)調(diào)節(jié)器的兩倍，增加了輸入電容的總RMS電流，需要使用更昂貴的輸入電容，并增加了EMI和損耗。

而2相操作使雙開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的兩個(gè)通道相差180°工作，有效交錯(cuò)了來(lái)自開(kāi)關(guān)的電流脈沖，大大減少了它們疊加的重疊時(shí)間，從而顯著降低了總RMS輸入電流。這使得可以使用更便宜的輸入電容，減少了EMI屏蔽要求，并提高了實(shí)際工作效率。

2. LTC1628的操作模式

• 頻率設(shè)置：內(nèi)部振蕩器頻率由施加到FREQSET引腳的電壓設(shè)置。演示板上的FREQ跳線允許選擇三種不同電壓：0V、跳線斷開(kāi)時(shí)為1.2V和5V，內(nèi)部振蕩器將分別運(yùn)行在130kHz、200kHz和300kHz。通過(guò)向FREQSET引腳施加0V至2.4V的外部電壓，頻率可在130kHz至300kHz范圍內(nèi)連續(xù)變化。
• 低電流模式：提供兩種低電流模式，Burst Mode操作可實(shí)現(xiàn)最大效率，而B(niǎo)urst Disable模式提供恒定頻率操作，效率略低。恒定頻率在需要最小電氣噪聲的應(yīng)用中較為理想。
• FCB引腳功能：FCB輸入引腳允許選擇兩個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器的低電流操作模式。當(dāng)FCB引腳連接到INTV CC時(shí)，啟用Burst Disable模式；將FCB引腳接地會(huì)迫使控制器進(jìn)入PWM或強(qiáng)制連續(xù)模式；當(dāng)施加到FCB引腳的電壓小于(INTV CC - 0.8 V)或引腳懸空時(shí)，啟用Burst Mode操作。
• FLTCPL引腳功能：FLTCPL引腳允許在幾種情況下實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制器之間的耦合。當(dāng)FLTCPL接地時(shí)，控制器獨(dú)立工作；當(dāng)引腳連接到INTV CC時(shí)，會(huì)出現(xiàn)特定操作，如FCB輸入電壓低于0.8V閾值時(shí)，兩個(gè)控制器進(jìn)入強(qiáng)制連續(xù)操作模式；當(dāng)任一控制器因過(guò)載或短路而鎖存關(guān)閉時(shí)，另一通道也會(huì)鎖存關(guān)閉。
• STBYMD引腳功能：STBYMD PC板輸入連接到STBYMD IC引腳。當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器都未開(kāi)啟時(shí)，將STBYMD IC引腳以大于5μA的電流上拉到輸入電源，可開(kāi)啟內(nèi)部5V INTV CC和3.3V LDO穩(wěn)壓器。

3. 過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)

• 過(guò)流保護(hù)：RUN/SS電容CSS最初用于開(kāi)啟控制器并限制浪涌電流?？刂破鲉?dòng)并為輸出電容充電并提供滿載電流后，CSS用作短路超時(shí)電路。如果輸出電壓降至其標(biāo)稱輸出電壓的70%以下，CSS開(kāi)始放電，假設(shè)輸出處于過(guò)流和/或短路狀態(tài)。如果該狀態(tài)持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間（由CSS的大小決定），控制器將關(guān)閉，直到RUN/SS引腳電壓重新循環(huán)。此內(nèi)置鎖存關(guān)閉功能可通過(guò)在RUN/SS引腳提供>5μA的上拉電流（4V的合規(guī)性）來(lái)覆蓋。當(dāng)輸出電壓低于其標(biāo)稱水平的70%時(shí)，無(wú)論短路鎖存關(guān)閉電路是否啟用，都會(huì)激活折返電流限制。
• 過(guò)壓保護(hù)：輸出通過(guò)“軟鎖存”保護(hù)免受過(guò)壓影響。當(dāng)輸出電壓超過(guò)調(diào)節(jié)值超過(guò)7.5%時(shí)，同步MOSFET導(dǎo)通并保持導(dǎo)通，直到過(guò)壓條件消失。如果輸出電壓恢復(fù)到安全水平，正常操作將恢復(fù)。這種自復(fù)位動(dòng)作可防止因瞬間瞬變而導(dǎo)致的“誤跳閘”，并消除了傳統(tǒng)OVP所需的肖特基二極管以防止Vout反轉(zhuǎn)。

五、物理設(shè)計(jì)與布局提示

1. 電路板設(shè)計(jì)

演示板采用典型的4層銅PC板制造，外層為2 oz銅，內(nèi)層為1 oz銅。電路板設(shè)計(jì)使用最少的外部元件，但添加了一些組件以方便可選的IC配置，這些組件在最終設(shè)計(jì)中可能不需要。

2. 布局注意事項(xiàng)

• 輸入電路隔離：輸入電路（包括外部開(kāi)關(guān)MOSFET、輸入電容和肖特基二極管）具有快速的電壓和電流轉(zhuǎn)換，應(yīng)遠(yuǎn)離電流模式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器所需的敏感控制電路和環(huán)路補(bǔ)償組件。
• 減少靜電耦合：通過(guò)增加與大或快速移動(dòng)電壓信號(hào)的距離來(lái)減少靜電或電容耦合問(wèn)題。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)、二次反激繞組電壓等信號(hào)點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題，應(yīng)保持相關(guān)PC跡線小并遠(yuǎn)離IC的“安靜”側(cè)。
• 減少電磁反饋：通過(guò)保持高交流電流（發(fā)射機(jī)）路徑和反饋電路（接收機(jī)）路徑小且短，最小化電磁或電流環(huán)路引起的反饋問(wèn)題。應(yīng)將輸入電容、頂部MOSFET、肖特基二極管等形成的環(huán)路保持盡可能小且緊密，以減少“遠(yuǎn)場(chǎng)”輻射效應(yīng)。
• 接地優(yōu)化：LTC1628開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器的PGND - SGND連接點(diǎn)通過(guò)在IC下方直接連接接地來(lái)優(yōu)化，形成緊密的表面接地平面。
• 電容放置：INTV CC上的電容應(yīng)作為儲(chǔ)備，為底部柵極提供高瞬態(tài)電流并為升壓電容充電。該電容應(yīng)為10μF陶瓷電容或1μF陶瓷電容與4.7μF鉭電容并聯(lián)，并應(yīng)盡可能靠近IC的INTV CC和PGND引腳放置。
• 電壓感測(cè)跡線：感測(cè)電流感測(cè)電阻兩端電壓的跡線可以較長(zhǎng)，但應(yīng)相互平行并保持最小間距，以感受來(lái)自輻射源的相同靜電和電磁場(chǎng)。如果跡線較長(zhǎng)，應(yīng)比最小寬度寬，以最小化自感。

六、總結(jié)

LTC1628作為一款高性能的2相DC/DC轉(zhuǎn)換器，在降低EMI、提高效率和減少元件數(shù)量方面表現(xiàn)出色。通過(guò)深入了解其特性、操作原理和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，電子工程師可以更好地將其應(yīng)用于各種電源設(shè)計(jì)中。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注意電路板布局和有源負(fù)載等問(wèn)題，以確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運(yùn)行。你在使用LTC1628或類似電源轉(zhuǎn)換器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。