LT3694/LT3694 - 1：高性能單芯片降壓調(diào)節(jié)器的深度解析

在電子工程領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。LT3694/LT3694 - 1作為一款單芯片、電流模式DC/DC轉(zhuǎn)換器，具備雙低壓差穩(wěn)壓器控制器，為工程師們提供了強(qiáng)大而靈活的電源解決方案。下面，我們就來(lái)深入探討這款芯片的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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芯片概述

主要特性

• 寬輸入電壓范圍：支持4V至36V的輸入電壓，能適應(yīng)多種電源類(lèi)型，如4節(jié)電池、5V邏輯軌、未穩(wěn)壓的墻式變壓器、鉛酸電池和分布式電源等。
• 強(qiáng)大的輸出能力：開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器為降壓轉(zhuǎn)換器，可在輸出端產(chǎn)生高達(dá)2.6A的電流。
• 獨(dú)立的跟蹤/軟啟動(dòng)電路：每個(gè)穩(wěn)壓器都有獨(dú)立的跟蹤/軟啟動(dòng)電路，簡(jiǎn)化了電源排序，并便于與微控制器和DSP接口。
• 過(guò)壓保護(hù)：具備過(guò)壓關(guān)斷功能，可保護(hù)電路免受高達(dá)70V的瞬態(tài)電壓影響。
• 高開(kāi)關(guān)頻率：開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)單個(gè)電阻設(shè)置，范圍為250kHz至2.5MHz。高開(kāi)關(guān)頻率允許使用小電感和陶瓷電容，從而實(shí)現(xiàn)非常小的三輸出解決方案。
• 時(shí)鐘同步選項(xiàng)：LT3694可與外部時(shí)鐘同步，LT3694 - 1則提供CLKOUT引腳，允許其他DC/DC轉(zhuǎn)換器與LT3694 - 1時(shí)鐘同步。

典型應(yīng)用場(chǎng)景

該芯片廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、工業(yè)、DSL和電纜調(diào)制解調(diào)器、分布式電源調(diào)節(jié)以及墻式變壓器調(diào)節(jié)等領(lǐng)域。

芯片引腳功能

關(guān)鍵引腳介紹

• VIN：為2.6A調(diào)節(jié)器的內(nèi)部開(kāi)關(guān)以及芯片的內(nèi)部參考和啟動(dòng)電路供電，需進(jìn)行本地旁路。
• EN/UVLO：用于關(guān)閉芯片，可由邏輯電平驅(qū)動(dòng)，也可通過(guò)連接電阻分壓器用作欠壓鎖定。
• CLKOUT（LT3694 - 1）/SYNC（LT3694）：CLKOUT為數(shù)字時(shí)鐘輸出，允許其他開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器同步；SYNC為頻率同步輸入，若不需要同步，可將其接地。
• PGOOD：集電極開(kāi)路輸出，當(dāng)三個(gè)穩(wěn)壓器中的任何一個(gè)超出調(diào)節(jié)范圍時(shí)，PGOOD引腳將被拉低。
• RT：通過(guò)連接到地的電阻設(shè)置芯片的工作頻率。若要與外部時(shí)鐘同步，電阻應(yīng)設(shè)置為使編程頻率至少比同步頻率低20%。
• TRK/SS：允許調(diào)節(jié)器跟蹤另一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出，也可用于軟啟動(dòng)。當(dāng)TRK/SS引腳電壓低于0.75V時(shí)，F(xiàn)B引腳將調(diào)節(jié)到TRK/SS電壓。
• FB：誤差放大器的負(fù)輸入，芯片將每個(gè)反饋引腳調(diào)節(jié)到0.75V或相應(yīng)TRK/SS引腳電壓中的較小值。
• DRV：為LDO穩(wěn)壓器的外部NPN晶體管提供基極驅(qū)動(dòng)，可提供高達(dá)6V的基極驅(qū)動(dòng)電壓。
• LIM：通過(guò)檢測(cè)連接到BIAS引腳的外部檢測(cè)電阻上的電壓，為L(zhǎng)DO通晶體管提供電流限制。

工作原理

開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器

芯片采用電流模式控制，反饋回路控制每個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)中的峰值電流。振蕩器的脈沖設(shè)置RS觸發(fā)器并打開(kāi)內(nèi)部NPN雙極功率開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)電流超過(guò)由VC1引腳電壓確定的水平時(shí)，電流比較器重置RS觸發(fā)器，關(guān)閉開(kāi)關(guān)。電感中的電流通過(guò)外部肖特基續(xù)流二極管流動(dòng)并開(kāi)始減小，下一個(gè)振蕩器脈沖到來(lái)時(shí)，周期再次開(kāi)始。內(nèi)部誤差放大器通過(guò)不斷調(diào)整VC1引腳電壓來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。

過(guò)流保護(hù)

DA比較器檢測(cè)續(xù)流二極管電流，若二極管電流在周期開(kāi)始時(shí)過(guò)高，將延遲開(kāi)關(guān)導(dǎo)通周期。

跟蹤和軟啟動(dòng)

當(dāng)TRK/SS引腳電壓低于0.75V時(shí)，將覆蓋FB引腳的0.75V參考電壓，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)的同步或比例電源跟蹤以及軟啟動(dòng)功能。

LDO穩(wěn)壓器

LDO穩(wěn)壓器使用外部NPN通晶體管形成線性穩(wěn)壓器，內(nèi)部補(bǔ)償環(huán)路以確保在最小負(fù)載電容為2.2μF時(shí)穩(wěn)定。LDO還具有折返式電流限制器，可在過(guò)載條件下保護(hù)外部晶體管。

過(guò)壓檢測(cè)

當(dāng)輸入電壓超過(guò)38V時(shí)，過(guò)壓檢測(cè)將關(guān)閉芯片，防止開(kāi)關(guān)在高電壓條件下導(dǎo)通，使芯片能夠承受高達(dá)70V的瞬態(tài)輸入電壓。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

反饋電阻網(wǎng)絡(luò)

輸出電壓通過(guò)輸出和FB引腳之間的電阻分壓器進(jìn)行編程，公式為(R1 = R2(frac{V_{OUT}}{750mV}-1))，R1和R2的并聯(lián)組合應(yīng)小于等于10kΩ，以避免偏置電流誤差。

輸入過(guò)壓鎖定

芯片能夠承受高達(dá)70V的輸入電壓瞬態(tài)沖擊，當(dāng)輸入電壓超過(guò)38V時(shí)，過(guò)壓鎖定將關(guān)閉穩(wěn)壓器，保護(hù)關(guān)鍵組件。

輸入電壓范圍

最小工作電壓由芯片的內(nèi)部欠壓鎖定或最大占空比決定，最大輸入電壓由最小占空比決定。開(kāi)關(guān)頻率會(huì)影響輸入電壓范圍，因此需要根據(jù)輸入和輸出電壓參數(shù)設(shè)置合適的最大開(kāi)關(guān)頻率。

開(kāi)關(guān)頻率

開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)連接到RT引腳的電阻或外部時(shí)鐘信號(hào)設(shè)置。較低的頻率可降低開(kāi)關(guān)損耗，但需要更大的電感和電容。選擇開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，需要在開(kāi)關(guān)損耗和元件尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。

電感選擇

電感值的初步選擇公式為(L=frac{V{OUT}+V{F}}{1.25Acdot f})，其中f為開(kāi)關(guān)頻率，V{OUT}為輸出電壓，V{F}為續(xù)流二極管的正向電壓降。電感的RMS電流額定值應(yīng)大于最大負(fù)載電流，飽和電流應(yīng)大于峰值電感電流，串聯(lián)電阻應(yīng)小于0.1Ω。

輸入電容選擇

使用X7R或X5R類(lèi)型的陶瓷電容對(duì)芯片輸入進(jìn)行旁路，根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率選擇合適的電容值。若輸入電源阻抗高或存在較大電感，可能需要額外的大容量電容。

輸出電容選擇

輸出電容用于過(guò)濾電感電流，產(chǎn)生低電壓紋波的輸出，并存儲(chǔ)能量以滿足瞬態(tài)負(fù)載需求。陶瓷電容因其低ESR和小尺寸而成為首選，但要注意選擇合適的類(lèi)型，避免使用Y5V和Z5U類(lèi)型。

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}cdotfrac{V{IN}-V{OUT}}{V{IN}})計(jì)算，應(yīng)選擇電流額定值大于ID(AVG)且反向電壓額定值大于最大輸入電壓的二極管。

頻率補(bǔ)償

芯片采用電流模式控制，簡(jiǎn)化了環(huán)路補(bǔ)償。頻率補(bǔ)償由連接到VC引腳的組件提供，通常使用串聯(lián)到地的電容和電阻，可能還需要并聯(lián)一個(gè)較小的電容來(lái)過(guò)濾開(kāi)關(guān)頻率的噪聲。

BST和BIAS引腳考慮

C3電容和內(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。BST引腳電壓應(yīng)比SW引腳高2.3V以上以獲得最佳效率。根據(jù)輸出電壓的不同，需要選擇合適的升壓電路配置。

內(nèi)部欠壓鎖定

當(dāng)輸入電壓低于3.8V（典型值）時(shí)，內(nèi)部欠壓鎖定將關(guān)閉所有三個(gè)穩(wěn)壓器。

使能和可編程欠壓鎖定

EN/UVLO引腳提供邏輯使能和可編程欠壓鎖定功能，有兩個(gè)閾值。通過(guò)電阻分壓器可實(shí)現(xiàn)精確的可編程UVLO功能。

低壓差穩(wěn)壓器

每個(gè)LDO穩(wěn)壓器由誤差放大器、環(huán)路補(bǔ)償和基極驅(qū)動(dòng)放大器組成，需要外部NPN通晶體管和2.2μF的輸出電容來(lái)確保穩(wěn)定性。輸出電壓通過(guò)電阻分壓器編程，LDO具有電流限制和折返功能，可在過(guò)載條件下保護(hù)NPN晶體管。

跟蹤和軟啟動(dòng)

TRK/SS引腳可實(shí)現(xiàn)比例跟蹤和同步跟蹤，還可用于軟啟動(dòng)。通過(guò)內(nèi)部3μA電流源對(duì)連接到TRK/SS引腳的電容充電，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的線性上升。

短路和反接輸入保護(hù)

選擇合適的電感可使芯片的降壓調(diào)節(jié)器耐受輸出短路。在某些情況下，需要采取措施防止輸入短路或反接對(duì)芯片造成損壞。

PCB布局

為確保芯片正常工作并降低EMI，PCB布局時(shí)應(yīng)注意使大的開(kāi)關(guān)電流環(huán)路盡可能小，將相關(guān)組件放置在電路板的同一側(cè)，并在其下方設(shè)置局部連續(xù)的接地平面。芯片底部的裸露焊盤(pán)必須焊接到接地平面以作為散熱片。

高溫考慮

PCB需要提供散熱功能以保持芯片涼爽。通過(guò)將底部的裸露焊盤(pán)焊接到接地平面，并使用熱過(guò)孔將熱量傳遞到其他接地層，可以降低熱阻。在高溫環(huán)境下工作時(shí)，需要根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)最大負(fù)載電流進(jìn)行降額處理。

總結(jié)

LT3694/LT3694 - 1是一款功能強(qiáng)大、性能出色的電源管理芯片，具有寬輸入電壓范圍、高輸出電流能力、多種保護(hù)功能和靈活的配置選項(xiàng)。在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路時(shí)，需要綜合考慮各個(gè)方面的因素，如輸入輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率、電感電容選擇、PCB布局等，以確保芯片能夠穩(wěn)定、高效地工作。希望本文對(duì)電子工程師們?cè)谑褂肔T3694/LT3694 - 1芯片進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。