【導(dǎo)讀】在電子設(shè)備領(lǐng)域，單芯片升壓轉(zhuǎn)換器扮演著重要角色，它能將低輸入電壓轉(zhuǎn)換為高輸出電壓，且整體方案尺寸緊湊。然而，當(dāng)面臨輸出功率需求增加的情況時(shí)，電流水平和散熱需求也會(huì)大幅上升。受內(nèi)部開關(guān)限制，傳統(tǒng)單芯片升壓轉(zhuǎn)換器往往難以滿足這些需求。在此背景下，兩相升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)運(yùn)而生，成為解決這一難題的更優(yōu)方案。
摘要
本文聚焦一款專為低壓大功率場景打造的單芯片兩相單輸出升壓轉(zhuǎn)換器——LT8349。著重闡述其具備的多種提升性能與靈活性的特性，為相關(guān)應(yīng)用提供有力支持。
引言
在電子設(shè)備領(lǐng)域，單芯片升壓轉(zhuǎn)換器扮演著重要角色，它能將低輸入電壓轉(zhuǎn)換為高輸出電壓，且整體方案尺寸緊湊。然而，當(dāng)面臨輸出功率需求增加的情況時(shí)，電流水平和散熱需求也會(huì)大幅上升。受內(nèi)部開關(guān)限制，傳統(tǒng)單芯片升壓轉(zhuǎn)換器往往難以滿足這些需求。在此背景下，兩相升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)運(yùn)而生，成為解決這一難題的更優(yōu)方案。
通過讓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)動(dòng)作以兩相交錯(cuò)的方式運(yùn)行，開關(guān)電流紋波可以有效降低一半。這樣不僅能夠減小電容和電感的尺寸，還能改善設(shè)備的熱性能。
LT8349是一款單芯片同步升壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置兩個(gè)以錯(cuò)相方式切換的N溝道MOSFET功率級(jí)。這些功率開關(guān)的額定參數(shù)為8 V/6 A，采用固定開關(guān)頻率工作，頻率可在300 kHz至4 MHz之間設(shè)定，也能同步至外部時(shí)鐘。同步整流技術(shù)可在寬負(fù)載范圍內(nèi)提升效率，有效降低功率損耗與散熱需求；而Stage Shedding?技術(shù)與可選的Burst Mode?模式則有助于改善輕載條件下的效率表現(xiàn)。
如果應(yīng)用場景要求控制電磁干擾(EMI)輻射，使用可選的擴(kuò)頻頻率調(diào)制(SSFM)功能可將噪聲降至最低。
這款I(lǐng)C的輸入范圍為2.5 V至5.5 V，適用于電池供電設(shè)備，輸出電壓可設(shè)定至最高8 V。這款兩相轉(zhuǎn)換器采用1.9 mm×2.6 mm的小型WLCSP封裝，能夠最大限度減小整體設(shè)計(jì)的占用空間。
多相操作
LT8349采用固定頻率電流模式控制方案，可實(shí)現(xiàn)出色的線路與負(fù)載調(diào)節(jié)性能。雖然兩相架構(gòu)需配置兩個(gè)電感，但這款I(lǐng)C能將電流均勻分配至兩相，并使各相開關(guān)動(dòng)作相差180°。這一設(shè)計(jì)可顯著降低電感峰值電流并減小輸出紋波。電感峰值電流由公式1確定。
其中，IOUT為平均負(fù)載電流，D為PWM占空比，?IL則為電感紋波電流。
高性能6 V/5 A電源
圖1展示了一個(gè)6 V升壓應(yīng)用，其輸入電源為2.5 V至4.5 V。當(dāng)輸入電壓為4.5 V且在RT引腳接入54.9 kΩ電阻來將開關(guān)頻率設(shè)定為2 MHz時(shí)，它可提供最大5 A的負(fù)載電流。
圖1.2.5 V至4.5 V輸入、6 V輸出的升壓轉(zhuǎn)換器
Stage Shedding
在重載條件下，LT8349作為兩相升壓轉(zhuǎn)換器工作。隨著負(fù)載電流減小，各相的電感峰值電流也隨之降低。當(dāng)峰值電流降至約1.7 A的卸載閾值ISHED, DUAL時(shí)，Stage Shedding技術(shù)被激活，器件將從兩相升壓模式切換為單相升壓模式。在此工作模式下，第二相被關(guān)閉，第一相的電感峰值電流限值將提升至ISHED,SINGLE（由公式2確定）。
隨著負(fù)載進(jìn)一步降低，可通過設(shè)置SYNC/MODE引腳，將這款I(lǐng)C設(shè)定為低IQ電流、低輸出紋波的突發(fā)模式，或固定頻率的強(qiáng)制連續(xù)模式(FCM)。Stage Shedding功能在圖2中進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中展示了突發(fā)模式和FCM模式下各相電感電流的特性。
當(dāng)SYNC/MODE引腳連接至信號(hào)地(SGND)時(shí)，這款I(lǐng)C以突發(fā)模式工作，通過降低開關(guān)頻率來維持輸出調(diào)節(jié)電壓。這款I(lǐng)C將通過ISET引腳對(duì)峰值電流IBURST進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)而輸出單脈沖電流。脈沖結(jié)束后立即進(jìn)入休眠期，當(dāng)輸出端無負(fù)載時(shí)，靜態(tài)電流僅為15 μA。
當(dāng)SYNC/MODE引腳懸空時(shí)，這款I(lǐng)C在輕載條件下以FCM模式工作。在此模式下，電感電流允許變?yōu)樨?fù)值，使這款I(lǐng)C能夠在所有負(fù)載范圍內(nèi)按編程頻率進(jìn)行切換。這一特性可確保開關(guān)諧波和EMI的一致性與可預(yù)測性，但代價(jià)是輕載效率有所降低。圖3展示了突發(fā)模式和FCM模式之間的效率對(duì)比。
圖2.負(fù)載電流從高到極低時(shí)LT8349工作情況的簡化示意圖。
圖3.效率及功率損耗與輸出電流的關(guān)系。
SSFM
對(duì)于EMI輻射要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景，LT8349提供了額外的資源來進(jìn)一步降低噪聲。SSFM可以通過配置SYNC/MODE引腳來選擇，并且與突發(fā)模式和FCM操作兼容。當(dāng)選擇SSFM時(shí)，內(nèi)部振蕩器頻率將在外部RT電阻的設(shè)定值與該值約25%的上浮范圍內(nèi)波動(dòng)。圖4和圖5分別展示了符合CISPR 32 B類標(biāo)準(zhǔn)的傳導(dǎo)EMI和輻射EMI結(jié)果。
圖4.CISPR 32傳導(dǎo)EMI結(jié)果。
圖5.CISPR 32輻射EMI結(jié)果。
結(jié)語
相較于傳統(tǒng)的單相升壓轉(zhuǎn)換器，這款集成電路具備多項(xiàng)優(yōu)勢。它采用的兩相架構(gòu)與同步整流技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率，而且有助于效率提升、功耗降低與熱性能優(yōu)化，盡管采用雙電感配置，但仍保持緊湊的整體占位空間。Stage Shedding技術(shù)與突發(fā)模式可進(jìn)一步提升輕載效率，而可選的SSFM功能則有助于降低EMI輻射。此外，LT8349還集成了輸出軟啟動(dòng)與過壓鎖定保護(hù)功能，可防止下游元件因電壓過高而損壞。憑借諸多特性，這款I(lǐng)C非常適合應(yīng)用于手持設(shè)備電源及工業(yè)電源等場景。
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