基于LTC3855的雙通道同步降壓DC/DC變換器設(shè)計

張 揚，張 雷

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

近年來，我國消費電子領(lǐng)域的體量不斷增長，已漸漸成為全球電子產(chǎn)品消費產(chǎn)量最大、種類最多、產(chǎn)業(yè)鏈最齊全的消費電子市場。隨著市場的高速發(fā)展，人們對于便攜式產(chǎn)品的要求不斷增加。開關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)，它運用功率變換器實現(xiàn)電能變換。經(jīng)過變換電能，對各種有用電要求的場合都有良好的滿足。開關(guān)電源也因其高效節(jié)能的特點，可帶來巨大經(jīng)濟效益，因而引起社會各方面的重視，得到了廣泛而迅速的推廣[1]。開關(guān)電源在便攜式電子消費領(lǐng)域中是一種不可或缺的關(guān)鍵部件，它也一下隨著各技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展不斷完成更新?lián)Q代，向著小體積、高效率、高功率密度、多通道輸出的方向發(fā)展[2]。

在此，基于LTC3855芯片，提出一款DC/DC變換器的設(shè)計方案。該DC/DC變換器采用電流模式、同步降壓buck拓撲結(jié)構(gòu)，具有小體積、高效率、高功率密度、雙通道輸出等特點，工作狀態(tài)穩(wěn)定，能夠廣泛應(yīng)用于便攜式消費電子及相關(guān)領(lǐng)域。

2 LTC3855芯片簡介

LTC3855是一款雙通道、多相、電流模式、同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓芯片，用于驅(qū)動全N溝道功率MOS FET。該芯片內(nèi)置一個高速差分遠端采樣放大器，用于輸出電壓調(diào)節(jié)。最大電流檢測電壓可針對30 mV、50 mV或70 mV進行設(shè)置，因而允許使用電感器DCR或一個分立的檢測電阻器作為檢測元件。

LTC3855內(nèi)部具有一個精準的0.6 V電源基準，并能夠產(chǎn)生高達12.5 V的輸出電壓。具有4.5 V至38 V的寬輸入電源范圍，囊括了大多數(shù)總線電壓和電池化學(xué)組成。芯片通過使用兩個控制器輸出級進行異相運作，最大限度地降低了功率損失和電源噪聲。該芯片可支持突發(fā)模式（Burst Mode）操作、連續(xù)或脈沖跳躍模式。

LTC3855還可針對多達12相操作進行配置，具有DCR溫度補償、兩個電源良好信號和兩個電流限制設(shè)定引腳。芯片采用扁平的40-Lead（6mm×6mm）QFN封裝與38-Lead FE兩種封裝[3]。這兩種封裝形式示意圖如圖1所示。

LTC3855芯片是一款恒定頻率、電流控制模式的多相位電源控制芯片，能夠快速、準確地實現(xiàn)電流限制和實時均流。電壓采樣網(wǎng)絡(luò)將得到的反饋電壓通過誤差放大器與基準電壓進行比較，生成相應(yīng)的對功率MOS的控制信號。通過控制高、低兩側(cè)功率MOS管的開啟時間實現(xiàn)設(shè)定電壓輸出[4-5]。

3 DC/DC變換器設(shè)計

本設(shè)計的整體功能框圖如圖2所示。DC/DC變換器主要由LTC3855芯片、外圍電路和功率電路組成。兩路通道輸出功率主回路采用雙MOS構(gòu)成的推挽輸出模式，用來提升變換器工作效率[6-7]。通過外圍電路設(shè)計，可以實現(xiàn)變換器工作頻率調(diào)節(jié)以及突發(fā)、連續(xù)、脈沖跳躍三種工作模式選擇，完成限流設(shè)定、輸出電壓指示、環(huán)路補償設(shè)定等一些列變換器參數(shù)設(shè)定。

圖2 DC/DC變換器整體功能框圖

兩路通道輸出的開啟和關(guān)閉相互獨立。每通道的使能功能通過跳帽連接INTVCC或者連接GND實現(xiàn)開啟和關(guān)閉。INTVCC為芯片內(nèi)部5 V基準電壓輸出點，每通道的使能開啟電壓為1.22 V（可承受的電壓范圍-0.3 V～6 V），當(dāng)其中任一通道使能端電壓低于1.22 V時，該通道主環(huán)路關(guān)閉，當(dāng)兩通道使能端電壓都低于1.22 V時，整個變換器就被關(guān)閉。

輸出電壓軟啟動時間通過TK/SS端和地端接入電容CSS，電容值按公式選取0.1μF。利用內(nèi)部1.2 μA電流源對CSS進行充電，從而實現(xiàn)軟啟動時間設(shè)定，此下式所示：

LTC3855運用了可靠的峰值電流模式架構(gòu)，以實現(xiàn)快速和準確的電流限制以及實時均流[8]。

對于作為開關(guān)電源臨時儲能元件的電感進行電流檢測，采用電流檢測電阻與電感串聯(lián)，此電流可用于監(jiān)測平均電流以及峰值或谷值電流，實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出并提供逐周期過流保護功能。此種設(shè)計可提供最佳的信噪比性能，有利于兩相電源實現(xiàn)精確均流。對于輕載的情況，也可以防止電流反向流動，從而提高效率。

由于檢測信號較小，需要使用開爾文檢測，使開爾文檢測痕跡遠離高噪聲覆銅區(qū)和其他信號痕跡，從而將噪聲提取降至最低。

設(shè)定第一路輸出為主通道，第二路為跟隨通道。TK/SS1引腳連接外圍電路設(shè)定第一路通道輸出電壓上升斜率，并設(shè)定軟啟動跟隨時間。電源環(huán)路補償通過ITH1、ITH2引腳連接外圍電路實現(xiàn)。電源輸出電壓設(shè)定通過VFB1、VFB2引腳連接外圍電路實現(xiàn)。設(shè)定第一路輸出電壓1.8 V，第二路輸出電壓1.2 V。DIFFP與DIFFN分別連接至第二路輸出遠的正、負兩端。遠端采樣差分運放輸出端DIFFOUT通過20.2 kΩ的電阻器連接至VFB2。電源輸出電流限制通過ILIM1、ILIM2連接外圍電路設(shè)定。輸出電壓指示通過PGOOD1、PGOOD2分別用100 kΩ上拉電阻連接至INTVCC，并作為測試點引出。INTVCC作為內(nèi)部基準電壓引出端，需加低阻抗的去耦鉭電容。為減小電源輸入電流紋波，靠近芯片VIN引腳接入1μF的瓷片電容，功率VIN引腳接入270μF的電解電容。具體電路如圖3所示。

功率MOS驅(qū)動線路應(yīng)盡量短，注意功率MOS擺放位置，減小其他線路對驅(qū)動線路的影響。功率地應(yīng)盡可能靠近上管N-MOS的源極。BOOST1、BOOST2分別接0.1μF的自舉瓷片電容，作為上管驅(qū)動的懸浮電源。關(guān)于相位調(diào)節(jié)，通過與SGND、INTVCC或者懸空來調(diào)節(jié)內(nèi)部控制器之間的相對相位以及CLKOUT。

時鐘輸出調(diào)節(jié)，可多個并聯(lián)使用，由PHASMD控制可變時鐘輸出。工作模式的選擇用調(diào)帽進行調(diào)節(jié)。CLKOUT信號在多相電路結(jié)構(gòu)中，可以起到同步其他異步信號的作用，有效減小電路功率損耗，提升工作效率。各信號相位差值具體如表1所示。

在MODE/PLLIN引腳連接一個外部時鐘信號，可使變換器同步外部頻率。該引腳連接SGND，使兩個通道都進入連續(xù)工作模式，連接到INTVCC啟動跳躍脈沖模式，該引腳懸浮進入突發(fā)模式?？蓪⒁粋€信號時鐘注入次引腳使電源進入強制連續(xù)工作模式并同步到施加在引腳的外部時鐘。通過對CLKOUT和MODE/PLLIN引腳進行菊鏈式連接，并利用PHASMD引腳來設(shè)置相位分離，可以實現(xiàn)多達12相的操作。多相操作由于紋波電流相互抵消的原因而減小了所需的輸入和輸出電容。而且，由于時鐘延遲較少，單輸出多相應(yīng)用具有一個較快的負載階躍響應(yīng)。電路工作模式選擇如表2所示。

表2 電路工作模式選擇

頻率設(shè)定通過內(nèi)部10μA電流引出，接到外圍電路設(shè)定芯片工作頻率。

所有的小電流信號回路地與GND單點共地。裸露的焊盤必須焊接到PCB上，為芯片的控制器件提供局部的接地，并與芯片底部的PGND引腳連接。

變換器設(shè)定輸出參數(shù)：輸入電壓4 V～14 V；第一通道輸出1.8 V/17 A；第二通道輸出1.2 V/17 A。為了使設(shè)計的電路滿足設(shè)定要求，需要對芯片外圍buck電路組成元件進行合理設(shè)計與選型。

4 原理驗證板

基于上述原理及設(shè)計方案，搭建DC/DC變換器的原理驗證板，實物如圖4所示。原理驗證板引出端有供電輸入端、兩路輸出端、功能設(shè)定調(diào)試端，并外接電源、電子負載，通過設(shè)定電源、電子負載、驗證板上的跳帽來驗證電源設(shè)計參數(shù)。

圖4 DC/DC變換器原理驗證板

經(jīng)過實際測試驗證，設(shè)置輸入電壓12 V時，第一路輸出1.706 V/17 A，第二路輸出1.120 V/17 A，效率為91.9%，與設(shè)計相符。效率的計算公式為：

其中，VOUT1為第一路輸出電壓，IOUT1為第一路輸出電流，VOUT2為第二路輸出電壓，IOUT2為第二路輸出電流，VIN為輸入電壓，IIN為輸入電流。

測試環(huán)境溫度設(shè)置為25℃時，詳細測試數(shù)據(jù)如表3所示。至此，原理板驗證完成。通過對原理驗證板的測試驗證，變換器的主要功能和參數(shù)基本實現(xiàn)預(yù)期目標。

表3 測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

所設(shè)計的基于LTC3855的雙通道同步降壓DC/DC變換器經(jīng)過長時間帶電運行，工作狀況穩(wěn)定，效率高，散熱小，達到了預(yù)期效果。該設(shè)計具有功率密度高、多通道輸出等突出特點，符合便攜式消費電子領(lǐng)域的發(fā)展需求。通過搭建原理驗證板，在原理上對變換器的設(shè)計進行了詳細驗證。設(shè)計方案具備普適性，對各相關(guān)電子應(yīng)用領(lǐng)域都有一定的參考價值，但后續(xù)研究仍需要在封裝設(shè)計、熱處理設(shè)計、電磁兼容設(shè)計等方面做進一步的完善。