張 揚(yáng)，張 雷

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng) 110000）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)消費(fèi)電子領(lǐng)域的體量不斷增長(zhǎng)，已漸漸成為全球電子產(chǎn)品消費(fèi)產(chǎn)量最大、種類(lèi)最多、產(chǎn)業(yè)鏈最齊全的消費(fèi)電子市場(chǎng)。隨著市場(chǎng)的高速發(fā)展，人們對(duì)于便攜式產(chǎn)品的要求不斷增加。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)，它運(yùn)用功率變換器實(shí)現(xiàn)電能變換。經(jīng)過(guò)變換電能，對(duì)各種有用電要求的場(chǎng)合都有良好的滿足。開(kāi)關(guān)電源也因其高效節(jié)能的特點(diǎn)，可帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益，因而引起社會(huì)各方面的重視，得到了廣泛而迅速的推廣[1]。開(kāi)關(guān)電源在便攜式電子消費(fèi)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(jì)方案。該DC/DC變換器采用電流模式、同步降壓buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有小體積、高效率、高功率密度、雙通道輸出等特點(diǎn)，工作狀態(tài)穩(wěn)定，能夠廣泛應(yīng)用于便攜式消費(fèi)電子及相關(guān)領(lǐng)域。

2 LTC3855芯片簡(jiǎn)介

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

LTC3855內(nèi)部具有一個(gè)精準(zhǔn)的0.6 V電源基準(zhǔn)，并能夠產(chǎn)生高達(dá)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(guò)使用兩個(gè)控制器輸出級(jí)進(jìn)行異相運(yùn)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(duì)多達(dá)12相操作進(jìn)行配置，具有DCR溫度補(bǔ)償、兩個(gè)電源良好信號(hào)和兩個(gè)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(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)電流限制和實(shí)時(shí)均流。電壓采樣網(wǎng)絡(luò)將得到的反饋電壓通過(guò)誤差放大器與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，生成相應(yīng)的對(duì)功率MOS的控制信號(hào)。通過(guò)控制高、低兩側(cè)功率MOS管的開(kāi)啟時(shí)間實(shí)現(xiàn)設(shè)定電壓輸出[4-5]。

3 DC/DC變換器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)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(lái)提升變換器工作效率[6-7]。通過(guò)外圍電路設(shè)計(jì)，可以實(shí)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(bǔ)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(kāi)啟和關(guān)閉相互獨(dú)立。每通道的使能功能通過(guò)跳帽連接INTVCC或者連接GND實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和關(guān)閉。INTVCC為芯片內(nèi)部5 V基準(zhǔn)電壓輸出點(diǎn)，每通道的使能開(kāi)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(shí)，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(shí)，整個(gè)變換器就被關(guān)閉。

輸出電壓軟啟動(dòng)時(shí)間通過(guò)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(duì)CSS進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)定，此下式所示：

LTC3855運(yùn)用了可靠的峰值電流模式架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)快速和準(zhǔn)確的電流限制以及實(shí)時(shí)均流[8]。

對(duì)于作為開(kāi)關(guān)電源臨時(shí)儲(chǔ)能元件的電感進(jìn)行電流檢測(cè)，采用電流檢測(cè)電阻與電感串聯(lián)，此電流可用于監(jiān)測(cè)平均電流以及峰值或谷值電流，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出并提供逐周期過(guò)流保護(hù)功能。此種設(shè)計(jì)可提供最佳的信噪比性能，有利于兩相電源實(shí)現(xiàn)精確均流。對(duì)于輕載的情況，也可以防止電流反向流動(dòng)，從而提高效率。

由于檢測(cè)信號(hào)較小，需要使用開(kāi)爾文檢測(cè)，使開(kāi)爾文檢測(cè)痕跡遠(yuǎn)離高噪聲覆銅區(qū)和其他信號(hào)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(dòng)跟隨時(shí)間。電源環(huán)路補(bǔ)償通過(guò)ITH1、ITH2引腳連接外圍電路實(shí)現(xiàn)。電源輸出電壓設(shè)定通過(guò)VFB1、VFB2引腳連接外圍電路實(shí)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(yuǎn)的正、負(fù)兩端。遠(yuǎn)端采樣差分運(yùn)放輸出端DIFFOUT通過(guò)20.2 kΩ的電阻器連接至VFB2。電源輸出電流限制通過(guò)ILIM1、ILIM2連接外圍電路設(shè)定。輸出電壓指示通過(guò)PGOOD1、PGOOD2分別用100 kΩ上拉電阻連接至INTVCC，并作為測(cè)試點(diǎn)引出。INTVCC作為內(nèi)部基準(zhǔn)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(dòng)線路應(yīng)盡量短，注意功率MOS擺放位置，減小其他線路對(duì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)的懸浮電源。關(guān)于相位調(diào)節(jié)，通過(guò)與SGND、INTVCC或者懸空來(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)部控制器之間的相對(duì)相位以及CLKOUT。

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

在MODE/PLLIN引腳連接一個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)，可使變換器同步外部頻率。該引腳連接SGND，使兩個(gè)通道都進(jìn)入連續(xù)工作模式，連接到INTVCC啟動(dòng)跳躍脈沖模式，該引腳懸浮進(jìn)入突發(fā)模式。可將一個(gè)信號(hào)時(shí)鐘注入次引腳使電源進(jìn)入強(qiáng)制連續(xù)工作模式并同步到施加在引腳的外部時(shí)鐘。通過(guò)對(duì)CLKOUT和MODE/PLLIN引腳進(jìn)行菊鏈?zhǔn)竭B接，并利用PHASMD引腳來(lái)設(shè)置相位分離，可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)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(shí)鐘延遲較少，單輸出多相應(yīng)用具有一個(gè)較快的負(fù)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(guò)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(hào)回路地與GND單點(diǎn)共地。裸露的焊盤(pán)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(jì)的電路滿足設(shè)定要求，需要對(duì)芯片外圍buck電路組成元件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與選型。

4 原理驗(yàn)證板

基于上述原理及設(shè)計(jì)方案，搭建DC/DC變換器的原理驗(yàn)證板，實(shí)物如圖4所示。原理驗(yàn)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(fù)載，通過(guò)設(shè)定電源、電子負(fù)載、驗(yàn)證板上的跳帽來(lái)驗(yàn)證電源設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖4 DC/DC變換器原理驗(yàn)證板

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，設(shè)置輸入電壓12 V時(shí)，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(jì)相符。效率的計(jì)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(cè)試環(huán)境溫度設(shè)置為25℃時(shí)，詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。至此，原理板驗(yàn)證完成。通過(guò)對(duì)原理驗(yàn)證板的測(cè)試驗(yàn)證，變換器的主要功能和參數(shù)基本實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

表3 測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的基于LTC3855的雙通道同步降壓DC/DC變換器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間帶電運(yùn)行，工作狀況穩(wěn)定，效率高，散熱小，達(dá)到了預(yù)期效果。該設(shè)計(jì)具有功率密度高、多通道輸出等突出特點(diǎn)，符合便攜式消費(fèi)電子領(lǐng)域的發(fā)展需求。通過(guò)搭建原理驗(yàn)證板，在原理上對(duì)變換器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)方案具備普適性，對(duì)各相關(guān)電子應(yīng)用領(lǐng)域都有一定的參考價(jià)值，但后續(xù)研究仍需要在封裝設(shè)計(jì)、熱處理設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)等方面做進(jìn)一步的完善。