LT8253/LT8253A：汽車USB - C電源傳輸?shù)睦硐胫x

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，找到一款性能卓越、功能豐富且適用于特定應(yīng)用場景的電源控制器至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一下LT8253/LT8253A這款同步4開關(guān)降壓 - 升壓控制器，它在汽車USB - C電源傳輸領(lǐng)域有著出色的表現(xiàn)。

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一、產(chǎn)品概述

LT8253/LT8253A是專門為汽車USB - C電源傳輸優(yōu)化的同步4開關(guān)降壓 - 升壓控制器。當(dāng)與USB Type - C或PD端口控制器配合使用時，它完全符合USB Power Delivery（PD）規(guī)范。該控制器具有以下顯著特點：

1. 低EMI架構(gòu)：采用專有低EMI降壓 - 升壓架構(gòu)，有效降低電磁干擾。
2. 寬輸入范圍：支持4V至40V的寬輸入電壓范圍，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
3. 高效同步開關(guān)：同步開關(guān)效率高達98%，能有效降低功耗。
4. 精準(zhǔn)輸出調(diào)節(jié)：輸出電壓調(diào)節(jié)精度為±1.5%，確保穩(wěn)定的輸出電壓。
5. 單輸出支持：單個輸出支持一個Type - C端口，功率最高可達100W（LT8253）或60W（LT8253A）。
6. 保護功能齊全：具備過流、過壓和短路保護功能，提高系統(tǒng)的可靠性。
7. 封裝與認(rèn)證：采用28引腳側(cè)面可焊QFN封裝，并且通過了AEC - Q100汽車應(yīng)用認(rèn)證。

二、電氣特性

1. 電源參數(shù)

• 輸入電壓范圍：4V至40V，可適應(yīng)不同的電源輸入。
• 靜態(tài)電流：在不同的使能狀態(tài)下，靜態(tài)電流有所不同，如在EN/UVLO = 0.3V時為1μA，在EN/UVLO = 1.5V時為2.1mA。
• 輸出電壓范圍：1V至25V，滿足多種設(shè)備的供電需求。

2. 線性調(diào)節(jié)器

• INTVcc調(diào)節(jié)電壓：在IINTVcc = 20mA時，調(diào)節(jié)電壓為4.8V至5.2V。
• INTVcc電流限制：LT8253和LT8253A在不同的輸入電壓下有不同的電流限制值。
• INTVcc欠壓鎖定閾值：下降閾值為3.44V至3.64V，且具有0.24V的遲滯。

3. 控制輸入

• EN/UVLO引腳：用于使能和欠壓鎖定，關(guān)機閾值為0.3V至1V，使能閾值為1.196V至1.244V，且具有13mV的遲滯。
• VOUTEN閾值：1V至1.6V，用于控制輸出使能。

4. 誤差放大器和電流比較器

• FB調(diào)節(jié)電壓：為0.985V至1.015V，用于輸出電壓調(diào)節(jié)和故障保護。
• 最大電流檢測閾值：在降壓和升壓模式下，V(LSP - LSN)的最大電流檢測閾值為35mV至65mV。

5. 振蕩器

• 振蕩頻率：LT8253的振蕩頻率為380kHz至420kHz（VSYNC/SPRD = 0V，RT = 100k），LT8253A為1900kHz至2100kHz（VSYNC/SPRD = 0V，RT = 59.0）。

三、引腳功能

LT8253/LT8253A的引腳功能豐富，每個引腳都在系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用：

• BG1和BG2：分別用于驅(qū)動降壓側(cè)和升壓側(cè)底部N溝道MOSFET。
• BST1和BST2：作為降壓側(cè)和升壓側(cè)的自舉浮動驅(qū)動器電源，需要外部自舉電容。
• EN/UVLO：用于使能和欠壓鎖定，可通過該引腳控制芯片的工作狀態(tài)。
• FB：電壓環(huán)路反饋輸入，用于輸出電壓調(diào)節(jié)和故障保護。
• INTVcc：內(nèi)部5V線性調(diào)節(jié)器輸出，為內(nèi)部控制電路和柵極驅(qū)動器供電。
• LSN和LSP：用于電感電流檢測，確保準(zhǔn)確的電流檢測。
• PGOOD：電源良好開漏輸出，當(dāng)FB引腳電壓在其調(diào)節(jié)電壓的±10%范圍內(nèi)時，該引腳被拉低。
• RT：用于設(shè)置開關(guān)頻率，通過連接電阻到地來實現(xiàn)。
• SS：軟啟動定時器設(shè)置，通過連接電容到地來控制輸出電壓的軟啟動。
• SW1和SW2：分別為降壓側(cè)和升壓側(cè)的開關(guān)節(jié)點。
• SYNC/SPRD：用于外部時鐘頻率同步或擴頻，可根據(jù)需要進行配置。
• TG1和TG2：分別驅(qū)動降壓側(cè)和升壓側(cè)頂部N溝道MOSFET。
• VC：誤差放大器輸出，用于補償控制環(huán)路。
• VIN：輸入電源，需要通過最小0.1μF陶瓷電容旁路到地。
• VOUT：輸出引腳，同樣需要通過最小0.1μF陶瓷電容旁路到地。
• VOUTEN：輸出使能，控制降壓 - 升壓開關(guān)和輸出功率。
• VREF：提供準(zhǔn)確的2V參考電壓，可提供1mA電流，需要通過0.47μF陶瓷電容旁路到地。

四、工作模式

1. 功率開關(guān)控制

LT8253/LT8253A有四種工作狀態(tài)：

• 降壓區(qū)域的峰值降壓模式：當(dāng)VIN遠高于VOUT時，開關(guān)C始終關(guān)閉，開關(guān)D始終打開，開關(guān)A和B交替工作，類似于典型的同步降壓調(diào)節(jié)器。
• 降壓 - 升壓區(qū)域的峰值降壓模式：當(dāng)VIN略高于VOUT時，開關(guān)C在預(yù)設(shè)周期開始時打開，開關(guān)D在剩余周期打開，開關(guān)A和B根據(jù)電感電流情況交替工作。
• 降壓 - 升壓區(qū)域的峰值升壓模式：當(dāng)VIN略低于VOUT時，開關(guān)A在預(yù)設(shè)周期開始時打開，開關(guān)B在剩余周期打開，開關(guān)C和D根據(jù)電感電流情況交替工作。
• 升壓區(qū)域的峰值升壓模式：當(dāng)VIN遠低于VOUT時，開關(guān)A始終打開，開關(guān)B始終關(guān)閉，開關(guān)C和D交替工作，類似于典型的同步升壓調(diào)節(jié)器。

2. 主控制環(huán)路

該控制器采用固定頻率電流模式控制，通過LSP和LSN引腳之間的電感檢測電阻來檢測電感電流。檢測到的電流經(jīng)過放大器A1增益后，與內(nèi)部振蕩器的斜率補償斜坡信號相加，然后輸入到降壓電流比較器A3和升壓電流比較器A4的正端。A3和A4的負端由VC引腳的電壓控制，以調(diào)節(jié)FB電壓至1V。

3. 輕載電流操作

在輕載情況下，LT8253/LT8253A通常以不連續(xù)導(dǎo)通模式運行，以保持調(diào)節(jié)并提高效率。

4. 關(guān)機和上電復(fù)位

當(dāng)EN/UVLO引腳低于關(guān)機閾值（最小0.3V）時，芯片進入關(guān)機模式，靜態(tài)電流小于2μA。當(dāng)EN/UVLO引腳高于關(guān)機閾值（最大1V）時，芯片喚醒啟動電路，生成帶隙參考，并為內(nèi)部INTVcc LDO供電。當(dāng)INTVcc引腳充電到高于其上升UVLO閾值（典型3.78V），EN/UVLO引腳通過其上升使能閾值（典型1.233V），且結(jié)溫低于熱關(guān)斷溫度（典型165°C）時，芯片進入使能模式，經(jīng)過上電復(fù)位（POR）后開始切換。

5. 啟動和故障保護

啟動過程中，SS引腳在POR狀態(tài)下通過100Ω電阻硬拉到地。在預(yù)偏置條件下，SS引腳必須拉到0.2V以下才能進入INIT狀態(tài)，等待10μs后，當(dāng)VOUTEN信號變高時進入UP/PRE狀態(tài)。在UP/PRE狀態(tài)下，SS引腳由12.5μA上拉電流充電，當(dāng)SS引腳電壓高于0.25V時進入UP/TRY狀態(tài)，10μs后進入UP/RUN狀態(tài)。在UP/RUN狀態(tài)下，開關(guān)開啟，輸出電壓的啟動由SS引腳電壓控制。當(dāng)SS引腳電壓高于1.75V時進入OK/RUN狀態(tài)，此時激活輸出短路檢測。當(dāng)輸出短路發(fā)生時，芯片進入FAULT/RUN狀態(tài)，SS引腳由1.25μA下拉電流緩慢放電。當(dāng)SS引腳電壓低于1.7V時進入DOWN/STOP狀態(tài)，開關(guān)關(guān)閉，短路檢測停用。當(dāng)SS引腳電壓低于0.2V且VOUTEN信號仍為高時，芯片回到UP/RUN狀態(tài)。通過在SS和VREF引腳之間連接不同阻值的電阻，可設(shè)置芯片為打嗝、鎖存或持續(xù)運行的故障保護模式。

五、應(yīng)用信息

1. 開關(guān)頻率選擇

LT8253的開關(guān)頻率范圍為150kHz - 650kHz，LT8253A為600kHz - 2MHz。選擇開關(guān)頻率需要在效率和元件尺寸之間進行權(quán)衡。低頻操作可降低MOSFET開關(guān)損耗，提高效率，但需要更大的電感和電容值；高頻操作可減小整體解決方案的尺寸，適用于低功率應(yīng)用。此外，在對噪聲敏感的系統(tǒng)中，應(yīng)選擇合適的開關(guān)頻率以避免干擾敏感頻段。

2. 開關(guān)頻率設(shè)置

通過將SYNC/SPRD引腳接地，可通過連接從RT引腳到地的電阻來設(shè)置開關(guān)頻率。文檔中提供了LT8253和LT8253A常見開關(guān)頻率對應(yīng)的RT電阻值表。

3. 擴頻頻率調(diào)制

為提高電磁干擾（EMI）性能，LT8253/LT8253A采用三角形擴頻頻率調(diào)制方案。將SYNC/SPRD引腳連接到INTVcc，LT8253的開關(guān)頻率在內(nèi)部振蕩器頻率周圍±15%范圍內(nèi)擴展，LT8253A在內(nèi)部振蕩器頻率之上25%范圍內(nèi)擴展。

4. 頻率同步

可使用SYNC/SPRD引腳將開關(guān)頻率同步到外部時鐘，驅(qū)動該引腳的波形占空比應(yīng)在10%至90%之間，50%占空比是最佳選擇。

5. 電感選擇

電感值與開關(guān)頻率相關(guān)，較高的開關(guān)頻率允許使用較小的電感和電容值。電感值直接影響紋波電流，最大電流紋波發(fā)生在降壓區(qū)域的VIN(MAX)處，最小電流紋波發(fā)生在升壓區(qū)域的VIN(MIN)處?？筛鶕?jù)客戶設(shè)定的紋波允許值計算最小電感值，同時為保證穩(wěn)定性，在占空比大于50%時，還需滿足一定的電感值要求。選擇電感時，應(yīng)選擇低磁芯損耗、低直流電阻且能承受峰值電感電流而不飽和的電感，為減少輻射噪聲，可使用屏蔽電感。

6. RSENSE選擇和最大輸出電流

Rsense根據(jù)所需輸出電流選擇，降壓和升壓模式下的最大電流檢測閾值（50mV）決定了電感的最大峰值電流?？筛鶕?jù)不同區(qū)域的公式計算最大平均負載電流和最大電流檢測電阻值，最終Rsense值應(yīng)低于降壓和升壓區(qū)域的計算值，并保留20% - 30%的余量，同時應(yīng)選擇低ESL電流檢測電阻。

7. 功率MOSFET選擇

LT8253/LT8253A需要四個外部N溝道功率MOSFET，選擇時需考慮擊穿電壓VBR(DSS)、閾值電壓VGS(TH)、導(dǎo)通電阻RDS(ON)、反向傳輸電容CRSS和最大電流IDS(MAX)等參數(shù)。為實現(xiàn)2MHz的操作，應(yīng)選擇低Qg和低RDS(ON)的高性能功率MOSFET。由于柵極驅(qū)動電壓由5V INTVcc電源設(shè)置，因此應(yīng)使用邏輯電平閾值MOSFET。同時，需確保所需的INTVcc電流不超過數(shù)據(jù)手冊中的電流限制，通常建議選擇Qg小于10nC的MOSFET。為確保在降壓、降壓 - 升壓和升壓模式之間的平滑過渡，應(yīng)選擇低RDS(ON)的MOSFET和低DCR的電感。還可根據(jù)不同開關(guān)的工作模式計算其最大功率損耗，并通過公式計算其結(jié)溫。

8. CIN和COUT選擇

輸入和輸出電容用于抑制調(diào)節(jié)器中不連續(xù)電流引起的電壓紋波，通常采用電容器的并聯(lián)組合以實現(xiàn)高電容和低等效串聯(lián)電阻（ESR）。陶瓷電容應(yīng)靠近調(diào)節(jié)器的輸入和輸出放置，以抑制高頻開關(guān)尖峰。輸入電容CIN在降壓區(qū)域需要處理最大RMS電流，可根據(jù)公式計算其RMS電流；輸出電容Cout在升壓區(qū)域需要降低輸出電壓紋波，需考慮ESR和大容量電容的影響，可根據(jù)公式計算最大穩(wěn)態(tài)紋波。

9. INTVcc調(diào)節(jié)器

內(nèi)部P溝道低壓差調(diào)節(jié)器從VIN電源引腳產(chǎn)生5V的INTVcc電壓，為內(nèi)部電路和柵極驅(qū)動器供電。INTVcc調(diào)節(jié)器必須通過最小4.7μF陶瓷電容旁路到地，以提供MOSFET柵極驅(qū)動器所需的高瞬態(tài)電流。在高輸入電壓、大MOSFET和高開關(guān)頻率的應(yīng)用中，可能會導(dǎo)致芯片結(jié)溫超過最大額定值，需要考慮系統(tǒng)電源電流和INTVcc的額外外部負載對功耗的影響，并通過公式估算結(jié)溫。

10. 頂部柵極MOSFET驅(qū)動器電源

頂部MOSFET驅(qū)動器TG1和TG2由各自的SW和BST引腳電壓驅(qū)動，自舉電壓由浮動自舉電容CBST1和CBST2提供，這些電容通常在頂部MOSFET關(guān)閉時通過內(nèi)部自舉二極管充電。自舉電容需要存儲大約100倍頂部開關(guān)A和D所需的柵極電荷，在大多數(shù)應(yīng)用中，0.1μF至0.47μF、X5R或X7R介質(zhì)的電容即可滿足要求。

11. 編程VIN UVLO

通過從VIN到EN/UVLO引腳的電阻分壓器實現(xiàn)VIN欠壓鎖定（UVLO），EN/UVLO使能下降閾值為1.220V，具有13mV的遲滯，且該引腳在電壓低于1.220V時會吸收2.5μA電流，可根據(jù)電阻值實現(xiàn)用戶可編程的遲滯。

12. 編程輸出電壓和閾值

通過FB引腳和R3、R4電阻可設(shè)置輸出電壓，同時FB引腳還可設(shè)置輸出過壓閾值、輸出功率良好閾值和輸出短路閾值。

13. 電源GOOD（PGOOD）引腳

PGOOD是一個開漏狀態(tài)引腳，當(dāng)VFB在1.00V調(diào)節(jié)電壓的±10%范圍內(nèi)時，該引腳被拉低，可通過外部電阻上拉到INTVcc或最高6V的外部電壓源。

14. 軟啟動和短路保護

SS引腳可通過連接外部電容到地來編程輸出電壓的軟啟動，內(nèi)部12.5μA上拉電流對電容充電，使輸出電壓平滑上升。SS引腳還可作為故障定時器，通過在SS引腳和VREF引腳之間連接不同阻值的電阻，可設(shè)置芯片為打嗝、鎖存或持續(xù)運行的故障保護模式。

15. 環(huán)路補償

LT8253/LT8253A使用內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器，其輸出VC用于補償控制環(huán)路。外部電感、輸出電容以及補償電阻和電容決定了環(huán)路的穩(wěn)定性，可根據(jù)性能、尺寸和成本選擇電感和輸出電容，并設(shè)置VC引腳的補償電阻和電容以優(yōu)化控制環(huán)路的響應(yīng)和穩(wěn)定性。

16. 效率考慮

開關(guān)調(diào)節(jié)器的功率效率等于輸出功率除以輸入功率乘以100%。LT8253/LT8253A電路中的主要損耗來源包括DC I2R損耗、過渡損耗、INTVcc電流、CIN和COUT損耗以及其他損耗（如肖特基二極管損耗、電感磁芯損耗和反向恢復(fù)電流損耗）。在調(diào)整以提高效率時，輸入電流是效率變化的最佳指標(biāo)，若輸入電流減小，則效率提高。

17. PC板布局清單

PC板布局需要專用的接地平面層，對于大電流應(yīng)用，多層板可為功率組件提供散熱。接地平面層應(yīng)無走線，并盡可能靠近功率MOSFET層。應(yīng)將CIN、開關(guān)A、開關(guān)B和DB放置在一個緊湊區(qū)域，將COUT、開關(guān)C、開關(guān)D和DD放置在另一個緊湊區(qū)域，使用直接過孔將組件連接到接地平面，每個功率組件使用多個大過孔。使用平面來維持良好的電壓濾波并降低功率損耗，將所有未使用的區(qū)域用銅填充，以降低功率組件的溫度上升，并將銅區(qū)域連接到任何直流網(wǎng)絡(luò)（VIN或GND）。分離信號和功率接地，所有小信號組件應(yīng)從底部返回暴露的GND焊盤，然后在靠近開關(guān)B和開關(guān)C的源極處連接到功率GND。將開關(guān)A和開關(guān)C盡可能靠近控制器放置，保持PGND、BG和SW走線短。將高dV/dT的SW1、SW2、BST1、BST2、TG1和TG2節(jié)點遠離敏感小信號節(jié)點。開關(guān)A、開關(guān)B、DB和CIN電容形成的路徑以及開關(guān)C、開關(guān)D、DD和COUT電容形成的路徑應(yīng)具有短引線和PCB走線長度。輸出電容的（ - ）端子應(yīng)盡可能靠近輸入電容的（ - ）端子連接。將頂部驅(qū)動器自舉電容CBST1緊密連接到BST1和SW1引腳，將頂部驅(qū)動器自舉電容CBST2緊密連接到BST2和SW2引腳。將輸入