LT3686A：高效降壓調(diào)節(jié)器的卓越之選

在電子工程師的設(shè)計(jì)工作中，選擇一款合適的降壓調(diào)節(jié)器至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下Linear Technology的LT3686A降壓調(diào)節(jié)器，看看它有哪些獨(dú)特的特性和優(yōu)勢(shì)。

文件下載：LT3686A.pdf

一、產(chǎn)品概述

LT3686A是一款電流模式PWM降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置功率開關(guān)。其輸入電壓范圍寬達(dá)3.6V至37V，這使得它能夠適應(yīng)各種電源，如24V工業(yè)電源和汽車電池。高最大頻率允許使用小型電感和電容，從而實(shí)現(xiàn)非常小的解決方案。此外，其工作頻率高于AM頻段，避免了對(duì)無線電接收的干擾，特別適用于汽車應(yīng)用。

二、主要特性

（一）寬輸入范圍與過壓鎖定保護(hù)

它能在3.6V至37V的輸入電壓下正常工作，并且具備過壓鎖定保護(hù)功能，可承受高達(dá)60V的瞬態(tài)電壓，為電路提供了可靠的保護(hù)。

（二）低最小導(dǎo)通時(shí)間

能夠在2MHz的頻率下將16V輸入轉(zhuǎn)換為3.3V輸出，展現(xiàn)出出色的轉(zhuǎn)換能力。

（三）1.2A輸出電流

可以滿足大多數(shù)應(yīng)用的功率需求。

（四）可調(diào)頻率

頻率范圍為300kHz至2.5MHz，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。在輕負(fù)載時(shí)能保持恒定的開關(guān)頻率，還能與外部時(shí)鐘同步。

（五）其他特性

具備跟蹤和軟啟動(dòng)功能，可避免啟動(dòng)時(shí)的輸入電流浪涌；高精度欠壓鎖定（UVLO）；短路保護(hù)能力強(qiáng)；關(guān)機(jī)時(shí)靜態(tài)電流小于1μA；內(nèi)部補(bǔ)償和熱增強(qiáng)型MSOP及3mm × 3mm DFN封裝，減少了外部元件數(shù)量。

三、引腳功能

（一）VIN（引腳1/2）

為L(zhǎng)T3686A的內(nèi)部穩(wěn)壓器和內(nèi)部功率開關(guān)提供電流，該引腳必須進(jìn)行本地旁路。

（二）BD（引腳2/3）

當(dāng)SYNC/MODE引腳由時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)或連接到大于0.8V的電壓時(shí)，LT3686A可通過調(diào)節(jié)BD引腳上的有源負(fù)載來防止輕負(fù)載時(shí)的脈沖跳躍。

（三）FB（引腳3/4）

LT3686A將其反饋引腳調(diào)節(jié)到0.8V，通過連接反饋電阻分壓器抽頭到該引腳，可根據(jù)公式 (R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{0.8 V}-1right)) 設(shè)置輸出電壓，建議R2取值為10k。

（四）SS（引腳4/5）

提供軟啟動(dòng)和跟蹤功能。內(nèi)部2μA電流源連接到2.5V參考電壓，為外部電容充電，產(chǎn)生電壓斜坡。反饋電壓和開關(guān)頻率都跟蹤SS電壓，當(dāng)反饋電壓達(dá)到0.8V時(shí)停止跟蹤。在UVLO、OVLO和熱關(guān)斷條件下，SS引腳會(huì)復(fù)位。若不使用軟啟動(dòng)功能，可將該引腳浮空。

（五）RT（引腳5/6）

用于編程振蕩器頻率，可根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)應(yīng)用部分的表1選擇RT電阻的值。

（六）EN/UVLO（引腳6/7）

用于啟動(dòng)LT3686A，將該引腳拉至0.4V以下可使器件關(guān)機(jī)。1.28V閾值可作為精確的欠壓鎖定（UVLO），防止穩(wěn)壓器在輸入電壓達(dá)到編程水平之前工作。注意不要將EN/UVLO引腳驅(qū)動(dòng)到高于VIN的電壓。

（七）SYNC/MODE（引腳7/8）

用于將LT3686A的內(nèi)部振蕩器與外部信號(hào)同步，同步信號(hào)的脈沖寬度至少為200ns的開和關(guān)時(shí)間。同時(shí)，該引腳還作為BD有源負(fù)載的模式選擇引腳，當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖或連接到高于0.8V的電壓時(shí)，可防止輕負(fù)載時(shí)的脈沖跳躍；將其連接到低于0.4V可禁用有源負(fù)載。

（八）BOOST（引腳8/9）

為內(nèi)部雙極NPN功率開關(guān)提供高于輸入電壓的驅(qū)動(dòng)電壓。

（九）DA（引腳9/10）

將續(xù)流二極管（D1）的陽極連接到該引腳。

（十）SW（引腳10/11, 12）

是內(nèi)部功率開關(guān)的輸出，應(yīng)連接到電感、續(xù)流二極管和升壓電容。

（十一）GND（外露焊盤引腳11/引腳1, 外露焊盤引腳13）

是器件的唯一接地連接，外露焊盤應(yīng)焊接到大面積銅區(qū)域以降低熱阻。

四、工作原理

（一）啟動(dòng)與鎖定

EN/UVLO引腳用于將LT3686A置于關(guān)機(jī)狀態(tài)，其1.28V閾值可通過外部電阻分壓器（R4, R5）編程來禁用器件。當(dāng)EN/UVLO引腳驅(qū)動(dòng)到高于1.28V時(shí)，內(nèi)部穩(wěn)壓器為控制電路供電，該穩(wěn)壓器包含過壓和欠壓鎖定功能，可防止在VIN大于37V或小于3.6V時(shí)進(jìn)行開關(guān)操作。

（二）跟蹤軟啟動(dòng)

通過SS引腳向外部軟啟動(dòng)電容（C4）提供恒定電流，產(chǎn)生電壓斜坡，實(shí)現(xiàn)跟蹤軟啟動(dòng)。FB電壓在達(dá)到0.8V之前跟蹤SS引腳電壓，之后調(diào)節(jié)到參考0.8V。軟啟動(dòng)還可降低振蕩器頻率，避免啟動(dòng)時(shí)達(dá)到電流限制。在過壓、欠壓、熱關(guān)斷和啟動(dòng)等故障事件中，SS電容會(huì)復(fù)位。

（三）振蕩與開關(guān)控制

振蕩器由電阻RT編程，設(shè)置RS觸發(fā)器，開啟內(nèi)部1.2A功率開關(guān)Q1。放大器和比較器監(jiān)測(cè)VIN和SW引腳之間的電流，當(dāng)電流達(dá)到由VC節(jié)點(diǎn)電壓確定的水平時(shí)，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(cè)量輸出電壓，并調(diào)節(jié)VC節(jié)點(diǎn)。若誤差放大器輸出增加，輸出電流增加；反之則減少。VC節(jié)點(diǎn)上的有源鉗位提供電流限制。

（四）驅(qū)動(dòng)與頻率控制

開關(guān)驅(qū)動(dòng)器可從VIN或BOOST引腳獲取電源，外部電容和內(nèi)部升壓二極管用于在BOOST引腳產(chǎn)生高于輸入電源的電壓，使驅(qū)動(dòng)器能充分飽和內(nèi)部雙極NPN功率開關(guān)，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。比較器通過DA引腳監(jiān)測(cè)續(xù)流二極管的電流，當(dāng)DA引腳電流超過1.7A谷值電流限制時(shí)，降低LT3686A的工作頻率，有助于在輸出短路等高輸入電壓故障條件下控制輸出電流。DA比較器與開關(guān)峰值電流限制比較器共同確定LT3686A的最大可輸出電流。

（五）有源負(fù)載控制

SYNC/MODE引腳還作為BD有源負(fù)載電路的模式選擇引腳。當(dāng)SYNC/MODE由同步脈沖驅(qū)動(dòng)或連接到高于0.8V的電壓時(shí)，啟用有源負(fù)載；連接到低于0.4V時(shí)禁用。LT3686A通過調(diào)節(jié)有源負(fù)載防止輕負(fù)載時(shí)的脈沖跳躍，有源負(fù)載可保證最小負(fù)載給升壓電容充電，有助于啟動(dòng)，并在超過最大占空比時(shí)加速升壓電容的充電。有源負(fù)載僅在BD引腳電壓小于6V時(shí)工作。

五、應(yīng)用信息

（一）FB電阻網(wǎng)絡(luò)

通過輸出和FB引腳之間的電阻分壓器來編程輸出電壓，選擇1%的電阻，根據(jù)公式 (R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{0.8 V}-1right)) 計(jì)算，R2應(yīng)選擇20k或更小，以避免偏置電流誤差。

（二）可編程欠壓鎖定

EN/UVLO引腳可通過VIN和EN/UVLO引腳之間的外部電阻分壓器進(jìn)行編程，根據(jù)公式 (R 4=R 5left(frac{V_{I N}}{1.28 V}-1right)) 選擇電阻，R4還設(shè)置可編程UVLO的滯后電壓 (Hysteresis =R 4 cdot 2.4 mu A) 。當(dāng)VIN降至編程電壓以下時(shí)，LT3686A進(jìn)入低靜態(tài)電流狀態(tài)（Iq ≈ 15μA），將EN/UVLO引腳電壓降至0.4V以下可完全關(guān)閉器件（Iq < 1μA）。

（三）輸入電壓范圍

輸入電壓范圍取決于輸出電壓以及VIN和BOOST引腳的絕對(duì)最大額定值。最小輸入電壓由LT3686A的最小工作電壓3.6V或其最大占空比決定，最大輸入電壓由引腳的絕對(duì)最大額定值和最小占空比決定。

（四）最小導(dǎo)通時(shí)間

隨著輸入電壓的增加，LT3686A的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間會(huì)縮短，其最小導(dǎo)通時(shí)間為100ns。當(dāng)所需導(dǎo)通時(shí)間低于100ns時(shí)，開關(guān)脈沖寬度保持在100ns，電感電流會(huì)上升超過負(fù)載電流，輸出紋波增加，器件會(huì)在輸出電壓降至編程值以下時(shí)再次開始開關(guān)。只要負(fù)載能承受增加的輸出電壓紋波，且元件選擇正確，脈沖跳躍操作是安全的，不會(huì)損壞器件。

（五）頻率選擇

LT3686A的最大可編程頻率為2.5MHz，最小為300kHz，通過將1%電阻從RT引腳連接到地來編程開關(guān)頻率。選擇工作頻率時(shí)，需考慮最小導(dǎo)通時(shí)間和邊緣損耗，較高的開關(guān)頻率會(huì)增加功耗并降低效率。SYNC/MODE引腳可用于將內(nèi)部振蕩器與外部方波同步，同步時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)低于2.5MHz，脈沖寬度至少為200ns的開和關(guān)時(shí)間，低電平低于0.4V，高電平高于0.8V，且同步頻率必須高于RT編程頻率。

（六）電感選擇和最大輸出電流

電感值的選擇可參考公式 (L=frac{4left(V{OUT }+V{D}right)}{f}) （其中 (V{D}) 為續(xù)流二極管的電壓降，約0.4V，L單位為μH，頻率單位為MHz），這樣可避免次諧波振蕩。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%，為保證在故障條件下的可靠運(yùn)行，飽和電流應(yīng)高于2A，為保持高效率，串聯(lián)電阻（DCR）應(yīng)小于0.1Ω。也可根據(jù)公式 (L=frac{2left(V{OUT }+V_{D}right)}{f}) 選擇較小的電感值，但會(huì)增加電感電流紋波，并降低有源負(fù)載使LT3686A保持全開關(guān)頻率的VIN電壓。

（七）續(xù)流二極管

建議使用低電容的1 - 2A肖特基二極管作為續(xù)流二極管D1，其反向電壓額定值應(yīng)等于或大于最大輸入電壓，如MBRM140就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

（八）輸入電容

使用2.2μF或更高值的X7R或X5R類型陶瓷電容對(duì)LT3686A電路的輸入進(jìn)行旁路，Y5V類型在溫度和施加電壓下性能較差，不建議使用。若輸入電源阻抗高或存在長(zhǎng)電線或電纜導(dǎo)致的顯著電感，可能需要額外的大容量電容，可使用低性能電解電容。輸入電容可減少LT3686A處的電壓紋波，并將高頻開關(guān)電流限制在局部回路中，減少EMI。同時(shí)，要注意陶瓷輸入電容與走線或電纜電感可能形成的高Q值（欠阻尼）諧振電路，避免在插入帶電電源時(shí)輸入電壓超過LT3686A的額定電壓。

（九）輸出電容

輸出電容有兩個(gè)主要功能：一是與電感一起過濾LT3686A產(chǎn)生的方波，產(chǎn)生直流輸出，因此在開關(guān)頻率下的低阻抗很重要；二是存儲(chǔ)能量以滿足瞬態(tài)負(fù)載并穩(wěn)定控制回路。陶瓷電容具有非常低的等效串聯(lián)電阻（ESR），能提供最佳的紋波性能，可根據(jù)公式 (C{OUT }=frac{145}{ V{OUT } cdot f}) （ (C{OUT }) 單位為μF，頻率單位為MHz）選擇合適的值。也可根據(jù)公式 (C{OUT }=frac{83}{V_{OUT } cdot f}) 選擇較小的輸出電容，但會(huì)增加環(huán)路交叉頻率和對(duì)噪聲的敏感性，需要仔細(xì)進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。高性能電解電容也可用于輸出電容，應(yīng)選擇低ESR的產(chǎn)品，其ESR應(yīng)小于0.1Ω。

（十）BOOST和BD引腳考慮

電容C3和內(nèi)部升壓二極管用于產(chǎn)生高于輸入電壓的升壓電壓，大多數(shù)情況下0.22μF的電容效果較好。BOOST引腳必須比SW引腳高至少2.2V以實(shí)現(xiàn)最佳效率。對(duì)于3V及以上的輸出，標(biāo)準(zhǔn)電路效果最佳；對(duì)于低于3V且高于2.5V的輸出，可在內(nèi)部二極管并聯(lián)一個(gè)分立肖特基二極管以降低 (V{D}) ?？筛鶕?jù)公式 (C{BOOST }=frac{0.065}{left(V{BD}+V{CATCH}-V{D}-2.2right) cdot f}) 計(jì)算和最小化升壓電容值（單位為μF）， (V{D}) 為升壓二極管的正向壓降， (V_{CATCH}) 為續(xù)流二極管（D1）的正向壓降，頻率單位為MHz，典型值0.22μF可用于CBOOST。對(duì)于較低的輸出電壓，BD引腳可連接到具有適當(dāng)本地旁路的外部電壓源，上述公式仍適用于計(jì)算所選BD電壓的最佳升壓電容。啟動(dòng)時(shí)BD電壓的缺失會(huì)增加啟動(dòng)的最小電壓并降低效率，同時(shí)要確保不超過BOOST引腳的最大電壓額定值。BD引腳也可連接到VIN，但VIN將限制在25V，且有源負(fù)載電路會(huì)自動(dòng)禁用。

（十一）輕負(fù)載固定頻率

LT3686A包含獨(dú)特的有源負(fù)載電路，可在非常輕的負(fù)載下實(shí)現(xiàn)全頻率開關(guān)。通過將SYNC/MODE引腳由時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)或連接到大于0.8V的直流電壓來啟用有源負(fù)載。典型的固定頻率非同步降壓調(diào)節(jié)器在輕負(fù)載時(shí)會(huì)跳過脈沖，而LT3686A的BD有源負(fù)載通過在全頻率不連續(xù)和脈沖跳躍模式之間提供一種操作方式來防止脈沖跳躍。有源負(fù)載可將脈沖跳躍邊界提高，當(dāng)接近最小導(dǎo)通時(shí)間時(shí)，其功率開關(guān)平穩(wěn)過渡到固定導(dǎo)通時(shí)間、固定頻率的開環(huán)電流源，內(nèi)部誤差放大器通過BD引腳調(diào)節(jié)輸出上的有源負(fù)載以維持輸出電壓調(diào)節(jié)。有源負(fù)載在MODE引腳連接高電平時(shí)啟用，連接低電平時(shí)禁用，即使激活，當(dāng)BD電壓超過6V或VIN時(shí)，有源負(fù)載會(huì)關(guān)閉以最小化功耗并智能響應(yīng)外部配置。有源負(fù)載還可在啟動(dòng)時(shí)協(xié)助充電升壓電容，并在超過最大占空比時(shí)加速升壓電容的充電，不使用時(shí)不消耗電流。

（十二）軟啟動(dòng)

SS引腳用于軟啟動(dòng)LT3686A，消除啟動(dòng)時(shí)的輸入電流浪涌，也可用于跟蹤系統(tǒng)中的另一個(gè)電壓。內(nèi)部2μA電流源為外部軟啟動(dòng)電容充電，產(chǎn)生電壓斜坡，F(xiàn)B電壓在達(dá)到0.8V之前跟蹤SS引腳電壓，之后調(diào)節(jié)到參考0.8V。軟啟動(dòng)還可降低振蕩器頻率，避免啟動(dòng)時(shí)達(dá)到電流限制。

（十三）短路和反向保護(hù)

如果電感選擇得當(dāng)，不會(huì)過度飽和，LT3686A能夠承受輸出短路。在短路條件下，LT3686A會(huì)降低頻率，直到谷值電流為1.7A。在某些系統(tǒng)中，當(dāng)LT3686A的輸入缺失時(shí)輸出可能保持高電平，此時(shí)若VIN引腳浮空且EN/UVLO引腳保持高電平，內(nèi)部電路會(huì)通過SW引腳汲取靜態(tài)電流；若將EN/UVLO引腳接地，SW引腳電流將降至幾乎為零。若VIN引腳接地而輸出保持高電平，LT3686A內(nèi)部的寄生二極管可能會(huì)從輸出通過SW引腳和VIN引腳汲取大電流，可使用一個(gè)輸入二極管來防止短路輸入使連接到輸出的備用電池放電，并保護(hù)電路免受反向輸入的影響。

（十四）安全熱插拔

陶瓷電容因其小尺寸、堅(jiān)固性和低阻抗，是LT3686A電路輸入旁路電容的有吸引力的選擇。但如果將LT3686A插入帶電電源，這些電容可能會(huì)導(dǎo)致問題。低損耗陶瓷電容與電源串聯(lián)的雜散電感形成欠阻尼諧振電路，LT3686A的VIN引腳電壓可能會(huì)振蕩到標(biāo)稱輸入電壓的兩倍，可能超過其額定值并損壞器件?？赏ㄟ^添加帶有串聯(lián)電阻的另一個(gè)電容來阻尼諧振電路，如添加鋁電解電容，其高等效串聯(lián)電阻可消除電壓過沖，還可改善低頻紋波濾波并略微提高電路效率，但可能是電路中最大的元件。另一種解決方案是在輸入串聯(lián)一個(gè)1Ω電阻來消除電壓過沖，同時(shí)添加0.1μF電容改善高頻濾波，這種解決方案尺寸更小、成本更低，對(duì)于高輸入電壓，對(duì)效率的影響較小。

（十五）頻率補(bǔ)償

LT3686A采用電流模式控制來調(diào)節(jié)輸出，簡(jiǎn)化了環(huán)路補(bǔ)償。它不需要輸出電容的ESR來保證穩(wěn)定性，允許使用陶瓷電容實(shí)現(xiàn)低輸出紋波和小電路尺寸。使用推薦的輸出電容時(shí)，環(huán)路交叉發(fā)生在 (R{C} C{C}) 零點(diǎn)之上。如果使用較大的陶瓷電容（非常低的ESR），交叉頻率可能較低，可在反饋分壓器上添加一個(gè)相位超前電容（CPL）來改善相位裕度和瞬態(tài)響應(yīng)。大型電解電容的ESR可能足夠大以產(chǎn)生額外的零點(diǎn)，此時(shí)可能不需要相位超前電容。如果輸出電容與推薦電容不同，應(yīng)在所有工作條件下檢查穩(wěn)定性，包括負(fù)載電流、輸入電壓和溫度。

（十六）PCB布局

為了確保LT3686A的正常運(yùn)行和最小化EMI，在印刷電路板布局時(shí)需要特別注意。應(yīng)使LT3686A的VIN和SW引腳、續(xù)流二極管（D1）和輸入電容（C2）形成的環(huán)路盡可能小，并僅在一處連接到系統(tǒng)地。這些元件以及電感和輸出電容應(yīng)放置在電路板的同一側(cè)，并在該層進(jìn)行連接。在這些元件下方放置一個(gè)局部、連續(xù)的接地平面，并在一處將其連接到系統(tǒng)地，理想情況下是在輸出電容C1的接地端子處。SW和BOOST節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能小，同時(shí)保持FB節(jié)點(diǎn)小，使接地引腳和接地走線能夠屏蔽它免受SW和BOOST節(jié)點(diǎn)的影響。在LT3686A的外露GND焊盤附近設(shè)置過孔，有助于將熱量從LT3686A散發(fā)到接地平面。

（十七）高溫考慮

LT3686A的管芯溫度必須低于