LT3995：一款高效的60V、3A、2MHz降壓開關(guān)穩(wěn)壓器

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，選擇一款合適的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下Linear Technology公司的LT3995降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，看看它有哪些獨特的特性和應(yīng)用場景。

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一、產(chǎn)品概述

LT3995是一款可調(diào)節(jié)頻率的單片降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠接受高達(dá)60V的寬輸入電壓范圍。它具有超低靜態(tài)電流的設(shè)計，在無負(fù)載調(diào)節(jié)時僅消耗2.7μA的電源電流。其低紋波Burst Mode? 操作能在低輸出電流時保持高效率，同時將輸出紋波保持在15mV以下。該穩(wěn)壓器可提供高達(dá)3A的負(fù)載電流，并具備電流限制折返功能，以在短路時限制功耗。

二、主要特性

（一）超低靜態(tài)電流

在12V輸入至3.3V輸出的情況下，靜態(tài)電流僅為2.7μA，這使得它在輕負(fù)載應(yīng)用中能夠顯著降低功耗，提高系統(tǒng)的能效。

（二）低紋波Burst Mode? 操作

輸出紋波小于15mVp-p，在輕負(fù)載時能保持高效率，通過間歇性地提供電流脈沖并在脈沖之間進入睡眠模式，減少了輸入電源電流的消耗。

（三）寬輸入范圍

可在4.3V至60V的輸入電壓下工作，適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，為設(shè)計提供了更大的靈活性。

（四）其他特性

• 最大輸出電流可達(dá)3A，滿足大多數(shù)中低功率應(yīng)用的需求。
• 具備出色的啟動和降壓性能，在汽車?yán)鋯拥惹闆r下能穩(wěn)定工作。
• 開關(guān)頻率可在200kHz至2MHz之間調(diào)節(jié)，還能在250kHz至2MHz之間同步，方便與其他電路進行同步操作。
• 具有精確的可編程欠壓鎖定功能，可防止在輸入電壓過低時系統(tǒng)誤操作。
• 關(guān)斷電流低至700nA，進一步降低了系統(tǒng)的功耗。
• 擁有電源良好標(biāo)志，可指示輸出電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)。
• 具備軟啟動功能，可避免啟動時的電流沖擊。
• 具有熱關(guān)斷保護功能，防止芯片在過熱時損壞。
• 采用飽和開關(guān)設(shè)計，導(dǎo)通電阻僅為85mΩ，降低了開關(guān)損耗。
• 采用小型、散熱增強的16引腳MSOP封裝，節(jié)省了電路板空間。
• 通過AEC-Q100認(rèn)證，適用于汽車應(yīng)用。

三、工作原理

LT3995采用恒定頻率、電流模式降壓調(diào)節(jié)器架構(gòu)。由RT電阻設(shè)置的振蕩器設(shè)定RS觸發(fā)器，開啟內(nèi)部功率開關(guān)。放大器和比較器監(jiān)測VIN和SW引腳之間的電流，當(dāng)電流達(dá)到由VC節(jié)點電壓確定的水平時，關(guān)閉開關(guān)。誤差放大器通過連接到FB引腳的外部電阻分壓器測量輸出電壓，并調(diào)節(jié)VC節(jié)點。VC引腳的有源鉗位提供電流限制，同時SS引腳通過外部電容產(chǎn)生電壓斜坡實現(xiàn)軟啟動。

內(nèi)部穩(wěn)壓器為控制電路提供電源，通常從VIN引腳獲取功率，但如果OUT引腳連接到高于3.2V的外部電壓，則從外部源獲取偏置功率，提高了效率。

當(dāng)EN引腳為低電平時，LT3995進入關(guān)斷狀態(tài)，僅從輸入吸取700nA電流；當(dāng)EN引腳高于1.08V時，開關(guān)調(diào)節(jié)器開始工作。

開關(guān)驅(qū)動器可從VIN或BOOST引腳獲取電源，外部電容在BOOST引腳產(chǎn)生高于輸入電源的電壓，使內(nèi)部雙極NPN功率開關(guān)充分飽和，實現(xiàn)高效運行。

在輕負(fù)載情況下，LT3995自動切換到Burst Mode操作，在脈沖之間關(guān)閉與控制輸出開關(guān)相關(guān)的所有電路，將輸入電源電流降低到1.7μA。

振蕩器在FB引腳電壓較低時降低LT3995的工作頻率，這種頻率折返有助于在啟動和過載時控制輸出電流。

四、應(yīng)用信息

（一）實現(xiàn)超低靜態(tài)電流

為了在輕負(fù)載時提高效率，LT3995采用低紋波Burst Mode操作。在這種模式下，它向輸出電容提供單電流脈沖，然后進入睡眠模式，由輸出電容提供輸出功率。為了優(yōu)化輕負(fù)載時的靜態(tài)電流性能，應(yīng)盡量減小反饋電阻分壓器中的電流和續(xù)流二極管的反向電流，可使用盡可能大的反饋電阻和低泄漏的肖特基續(xù)流二極管。

（二）FB電阻網(wǎng)絡(luò)

輸出電壓通過輸出和FB引腳之間的電阻分壓器進行編程，推薦使用1%精度的電阻以保持輸出電壓的準(zhǔn)確性。為了提高低電流性能，應(yīng)選擇盡可能大的FB電阻分壓器總電阻。當(dāng)使用大FB電阻時，應(yīng)在VOUT和FB之間連接一個10pF的相位超前電容。

（三）設(shè)置開關(guān)頻率

LT3995采用恒定頻率PWM架構(gòu)，可通過將電阻從RT引腳連接到地來編程開關(guān)頻率，范圍為200kHz至2MHz?？筛鶕?jù)所需的開關(guān)頻率選擇合適的RT電阻值，也可使用公式 (R{T}=frac{51.1}{(f{SW})^{1.09}} - 9.27) 進行估算。

（四）工作頻率權(quán)衡

選擇工作頻率需要在效率、元件尺寸、最小降壓電壓和最大輸入電壓之間進行權(quán)衡。高頻操作的優(yōu)點是可以使用較小的電感和電容值，但缺點是效率較低，最大輸入電壓也較低?？筛鶕?jù)公式 (f{SW(MAX)}=frac{V{OUT}+V{D}}{t{ON(MIN)}(V{IN}-V{SW}+V_{D})}) 計算給定應(yīng)用的最高可接受開關(guān)頻率。

（五）最大輸入電壓范圍

LT3995可在高達(dá)60V的輸入電壓下工作，但正常操作期間的最高允許VIN通常受最小占空比限制，可使用公式 (V{IN(OP - MAX)}=frac{V{OUT}+V{D}}{f{SW} cdot t{ON(MIN)}} - V{D}+V_{SW}) 進行計算。較低的開關(guān)頻率可將正常操作擴展到更高的輸入電壓。

（六）最小輸入電壓范圍

最小輸入電壓由LT3995的最小工作電壓4.3V、最大占空比或強制最小降壓電壓決定。最大占空比受內(nèi)部功率開關(guān)的β值限制，約為98%。最終的最小輸入電壓為 (V{IN(MIN)} = Max(V{IN(MIN 1)}, V_{IN(MIN 2)}, 4.3V)) 。

（七）最小降壓電壓

為了實現(xiàn)低降壓電壓，內(nèi)部功率開關(guān)必須始終能夠充分飽和，這要求升壓電容在啟動時能夠充電，并在所有操作條件下保持充電狀態(tài)。當(dāng)OUT引腳連接到輸出時，LT3995調(diào)節(jié)輸出，使VIN - VOUT > 500mV，以保持升壓電容充電。

（八）電感選擇和最大輸出電流

對于給定的輸入和輸出電壓，電感值和開關(guān)頻率將決定紋波電流?？墒褂霉?(L=frac{V{OUT}+V{D}}{1.5 cdot f{SW}}) 選擇合適的電感值。電感的RMS電流額定值必須大于最大負(fù)載電流，飽和電流應(yīng)比最大負(fù)載電流高約30%。最大輸出電流 (I{OUT(MAX)} = I{LIM} - frac{Delta I{L}}{2}) ，其中 (Delta I{L}=frac{(1 - DC) cdot (V{OUT}+V{D})}{L cdot f{SW}}) 。

（九）電流限制折返和熱保護

LT3995具有較大的峰值電流限制，以確保在不同占空比和電流限制分布下實現(xiàn)3A的最大輸出電流。當(dāng)FB引腳電壓低于0.8V時，開始進行電流限制折返，將峰值電流限制降低約50%。在啟動時，當(dāng)SS引腳充電高于2V之前，電流限制折返功能將被禁用。此外，LT3995還具有熱關(guān)斷保護功能，在高功耗期間保護芯片。

（十）輸入電容

應(yīng)使用X7R或X5R類型的陶瓷電容對LT3995電路的輸入進行旁路，4.7μF至10μF的陶瓷電容通常足以處理紋波電流。如果輸入電源阻抗較高或存在較長的電線或電纜電感，可能需要額外的大容量電容。

（十一）輸出電容和輸出紋波

輸出電容的主要功能是與電感一起過濾LT3995產(chǎn)生的方波，產(chǎn)生直流輸出，并存儲能量以滿足瞬態(tài)負(fù)載和穩(wěn)定控制環(huán)路。推薦使用X5R或X7R類型的陶瓷電容，可使用公式 (C{OUT}=frac{200}{V{OUT} cdot f_{SW}}) 選擇合適的電容值。

（十二）續(xù)流二極管選擇

續(xù)流二極管的平均正向電流可根據(jù)公式 (D(AVG)=I{OUT}(frac{V{IN}-V{OUT}}{V{IN}})) 計算，其電流額定值應(yīng)大于或等于應(yīng)用的輸出負(fù)載電流。對于輸入電壓高達(dá)60V的情況，可選擇60V的二極管。在輕負(fù)載條件下，應(yīng)選擇反向泄漏電流最小的續(xù)流二極管。

（十三）BOOST和OUT引腳考慮

電容C3和內(nèi)部升壓肖特基二極管用于產(chǎn)生高于輸入電壓的升壓電壓，通常使用0.47μF的電容即可。BOOST引腳必須比SW引腳高1.8V以上以實現(xiàn)最佳效率，比SW引腳高2.6V以上以實現(xiàn)非常高的占空比。對于不同的輸出電壓范圍，需要采用不同的電路配置來為升壓電容充電。

（十四）使能和欠壓鎖定

LT3995在EN引腳為低電平時處于關(guān)斷狀態(tài)，為高電平時處于工作狀態(tài)?？赏ㄟ^設(shè)置R3和R4的值來調(diào)整欠壓鎖定（UVLO）閾值，公式為 (V{UVLO}=V{EN(THRESH)}(frac{R3 + R4}{R4})) 。為了在輕負(fù)載時最小化對效率的影響，UVLO電阻應(yīng)選擇較大的值。

（十五）軟啟動

SS引腳可用于軟啟動LT3995，通過內(nèi)部1.8μA電流源對外部電容充電，在SS引腳產(chǎn)生電壓斜坡，從而緩慢提升電流限制。當(dāng)SS引腳電壓約為1.5V或更高時，達(dá)到最大電流限制。

（十六）同步

將SYNC引腳連接到低于0.5V的電壓（如接地或邏輯輸出）可選擇低紋波Burst Mode操作。將方波（占空比為20%至80%，幅度谷值低于0.5V，峰值高于1.5V）連接到SYNC引腳可將LT3995振蕩器同步到外部頻率。在同步到外部時鐘時，LT3995在低輸出負(fù)載時會進行脈沖跳過操作，靜態(tài)電流約為11μA。

（十七）電源良好標(biāo)志

PG引腳是一個開漏輸出，用于指示輸出電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)。當(dāng)輸出電壓低于調(diào)節(jié)電壓超過8.4%時，PG引腳拉低；否則，PG引腳呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，可通過上拉電阻拉高。

（十八）短路和反接輸入保護

如果選擇的電感不會過度飽和，LT3995降壓調(diào)節(jié)器能夠承受輸出短路，功耗將通過電流限制折返進行限制。在某些情況下，可使用二極管D4防止短路輸入對連接到輸出的備用電池進行放電，并保護電路免受反接輸入的影響。

（十九）PCB布局

為了確保LT3995的正常運行和最小化EMI，在印刷電路板布局時需要注意以下幾點：

• 使VIN、SW引腳、續(xù)流二極管和輸入電容形成的環(huán)路盡可能小。
• 將電感和輸出電容與上述組件放置在電路板的同一側(cè)，并在該層進行連接。
• 在這些組件下方放置局部、連續(xù)的接地平面。
• 盡量減小SW和BOOST節(jié)點的尺寸。
• 保持FB和RT節(jié)點小，以防止它們受到SW和BOOST節(jié)點的干擾。
• 將封裝底部的暴露焊盤焊接到接地平面，以作為散熱片。

（二十）高溫考慮

在較高環(huán)境溫度下，需要注意PCB布局以確保LT3995的良好散熱。將封裝底部的暴露焊盤焊接到接地平面，并通過熱過孔將其連接到較大的銅層，以擴散熱量。隨著環(huán)境溫度接近最大結(jié)溫額定值，應(yīng)降低最大負(fù)載電流。此外，還需要注意功率肖特基二極管的泄漏電流隨結(jié)溫的增加而指數(shù)上升，應(yīng)選擇合適的二極管以避免在高溫下輕負(fù)載電源電流過度增加。

五、典型應(yīng)用

LT3995適用于多種應(yīng)用場景，如汽車電池調(diào)節(jié)、便攜式產(chǎn)品和工業(yè)電源等。以下是一些典型的應(yīng)用電路：

• 5V降壓轉(zhuǎn)換器：輸入電壓范圍為5.7V至60V，輸出電壓為5V，最大輸出電流為3A，開關(guān)頻率為500kHz。
• 12V降壓轉(zhuǎn)換器：輸入電壓范圍為12.9V至60V，輸出電壓為12V，最大輸出電流為2.5A（3A瞬態(tài)），開關(guān)頻率為800kHz。
• 4V降壓轉(zhuǎn)換器（高阻抗輸入源）：輸入電壓為24V，輸出電壓為4V，最大輸出電流為3A，開關(guān)頻率為800kHz。
• 2.5V降壓轉(zhuǎn)換器：輸入電壓范圍為4.3V至60V，輸出電壓為2.5V，最大輸出電流為3A，開關(guān)頻率為250kHz。

六、相關(guān)部件

除了LT3995，Linear Technology還提供了一系列相關(guān)的降壓轉(zhuǎn)換器，如LT3975、LT3976、LT3970等，這些部件在輸入電壓范圍、輸出電流、靜態(tài)電流等方面可能有所不同，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進行選擇。

七、總結(jié)

LT3995是一款功能強大、性能優(yōu)越的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，在寬輸入電壓范圍、超低靜態(tài)電流、低紋波操作等方面表現(xiàn)出色。通過合理選擇外部元件和優(yōu)化PCB布局，能夠充分發(fā)揮其性能，滿足各種不同應(yīng)用的需求。在實際設(shè)計中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和要求，綜合考慮各項因素，選擇最合適的設(shè)計方案。你在使用LT3995或其他類似穩(wěn)壓器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。