LTC3601：高效單芯片同步降壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)中，電源管理芯片的選擇至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一下 Linear Technology 公司的 LTC3601 這款高性能單芯片同步降壓調(diào)節(jié)器，看看它在實(shí)際應(yīng)用中能為我們帶來哪些優(yōu)勢(shì)。

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一、LTC3601 概述

LTC3601 是一款高效的單芯片同步降壓調(diào)節(jié)器，采用鎖相可控導(dǎo)通時(shí)間、電流模式架構(gòu)，能夠提供高達(dá) 1.5A 的輸出電流。其工作電源電壓范圍為 4V 至 15V，適用于廣泛的電源應(yīng)用場(chǎng)景。

1.1 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：4V 至 15V 的輸入電壓范圍，使其能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 高輸出電流：可提供高達(dá) 1.5A 的輸出電流，滿足大多數(shù)負(fù)載需求。
• 高效率：效率最高可達(dá) 96%，有效降低功耗。
• 低占空比操作：在 2.25MHz 時(shí)占空比低至 5%。
• 可調(diào)開關(guān)頻率：開關(guān)頻率可在 800kHz 至 4MHz 之間調(diào)節(jié)，還支持外部頻率同步。
• 多種工作模式：用戶可選擇 Burst Mode?（無負(fù)載時(shí) (I_{Q}=300 mu A)）或強(qiáng)制連續(xù)操作模式。
• 低輸出電壓：0.6V 參考電壓允許設(shè)置低輸出電壓。
• 保護(hù)功能：具備短路保護(hù)、輸出電壓跟蹤能力、可編程軟啟動(dòng)和電源良好狀態(tài)輸出等功能。
• 小型封裝：提供小型、熱增強(qiáng)型 16 引腳 QFN（3mm × 3mm）和 MSOP 封裝，節(jié)省電路板空間。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

LTC3601 適用于分布式電源系統(tǒng)、鋰離子電池供電儀器和負(fù)載點(diǎn)電源等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

二、工作原理

2.1 主控制回路

在正常工作時(shí)，內(nèi)部頂部功率 MOSFET 由內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器確定的固定間隔導(dǎo)通。當(dāng)頂部功率 MOSFET 關(guān)閉時(shí)，底部功率 MOSFET 導(dǎo)通，直到電流比較器 ICMP 觸發(fā)，從而重啟單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器并啟動(dòng)下一個(gè)周期。通過感應(yīng)底部功率 MOSFET 的 SW 和 PGND 節(jié)點(diǎn)之間的電壓降來監(jiān)測(cè)電感電流。ITH 引腳的電壓設(shè)置 ICMP 比較器的閾值，對(duì)應(yīng)于電感谷值電流。誤差放大器 EA 通過將內(nèi)部 0.6V 參考電壓與從輸出電壓導(dǎo)出的反饋信號(hào) VFB 進(jìn)行比較來調(diào)整 ITH 電壓。

2.2 工作頻率控制

工作頻率由 RT 電阻的值決定，該電阻為內(nèi)部振蕩器設(shè)置電流。內(nèi)部鎖相環(huán)使開關(guān)調(diào)節(jié)器的導(dǎo)通時(shí)間跟蹤內(nèi)部振蕩器的邊緣，以強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)恒定的開關(guān)頻率。也可以將時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)用于 SYNC/MODE 引腳，將開關(guān)頻率同步到外部源。

2.3 低負(fù)載電流操作

在低負(fù)載電流時(shí)，電感電流可能降至零或變?yōu)樨?fù)值。如果 LTC3601 配置為 Burst Mode 操作，電流反轉(zhuǎn)比較器 IREV 會(huì)檢測(cè)到這種電感電流狀況，從而關(guān)閉底部功率 MOSFET，并使器件進(jìn)入低靜態(tài)電流睡眠狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不連續(xù)操作，提高低負(fù)載電流時(shí)的效率。將 MODE/SYNC 引腳接地可禁用不連續(xù)操作，使 LTC3601 進(jìn)入強(qiáng)制連續(xù)模式。

2.4 “Power Good” 狀態(tài)輸出

當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出超出調(diào)節(jié)點(diǎn) ±8% 的窗口時(shí)，PGOOD 開漏輸出將被拉低。一旦調(diào)節(jié)在 5% 的窗口內(nèi)實(shí)現(xiàn)，該條件將被釋放。為防止在瞬態(tài)或動(dòng)態(tài) Vout 變化期間出現(xiàn)不必要的 PGOOD 干擾，LTC3601 的 PGOOD 下降沿包含約 40μs 的濾波時(shí)間。

2.5 (V_{IN }) 過壓保護(hù)

為保護(hù)內(nèi)部功率 MOSFET 器件免受瞬態(tài)電壓尖峰的影響，LTC3601 持續(xù)監(jiān)測(cè) (V_{IN }) 引腳的過壓狀況。當(dāng) (VIN) 上升到 17.5V 以上時(shí)，調(diào)節(jié)器通過關(guān)閉兩個(gè)功率 MOSFET 暫停操作。一旦 (VIN) 下降到 16.5V 以下，調(diào)節(jié)器立即恢復(fù)正常操作。在退出過壓狀況時(shí)，調(diào)節(jié)器不執(zhí)行軟啟動(dòng)功能。

2.6 短路保護(hù)

在輸出意外短路到地的情況下，提供折返電流限制。在此條件下，內(nèi)部電流限制（(I_{LIM })）將降低到正常值的約三分之一，減少 LTC3601 在短路條件下的散熱，并保護(hù) IC 和輸入電源免受潛在損壞。

三、應(yīng)用信息

3.1 外部組件選擇

外部組件的選擇主要取決于負(fù)載要求。首先選擇電感 L，然后選擇輸入電容 (C{IN })、輸出電容 (COUT)、內(nèi)部調(diào)節(jié)器電容 (C{INTVCC }) 和升壓電容 (CBOOST)。接著選擇反饋電阻來設(shè)置所需的輸出電壓。最后，可選擇其他可選的外部組件，用于外部環(huán)路補(bǔ)償、跟蹤/軟啟動(dòng)、外部編程振蕩器頻率和 PGOOD 等功能。

3.1.1 工作頻率選擇

工作頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權(quán)衡。高頻操作允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)增加內(nèi)部柵極電荷損耗；低頻操作可提高效率，但需要更大的電感值和/或電容來保持低輸出紋波電壓。LTC3601 的工作頻率 (fO) 由連接在 RT 引腳和地之間的外部電阻決定，可通過公式 (R{R T}=frac{3.2E11}{f{0}}) 計(jì)算電阻值。

3.1.2 電感選擇

對(duì)于給定的輸入和輸出電壓，電感值和工作頻率決定了電感紋波電流。電感紋波電流可通過公式 (Delta I{L}=left(frac{V{OUT }}{f cdot L}right)left(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)) 計(jì)算。一般來說，合理的紋波電流起始值約為 (IOUT(MAX)) 的 40%。為確保紋波電流不超過指定的最大值，應(yīng)根據(jù)公式 (L=left(frac{V{OUT }}{f cdot Delta I{L(M A X)}}right)left(1-frac{V{OUT }}{V{IN(M A X)}}right)) 選擇電感值。同時(shí)，電感紋波電流的谷值不能超過 -1.2A（典型值），否則可能導(dǎo)致 (V_{OUT }) 充電超過目標(biāo)調(diào)節(jié)電壓。

3.1.3 (C_{IN }) 和 (Cout) 選擇

輸入電容 (C{IN}) 用于過濾頂部功率 MOSFET 漏極的梯形波電流，建議選擇低 ESR 的輸入電容，其最大 RMS 電流可通過公式 (I{RMS }=I{OUT(MAX) } frac{sqrt{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN }}) 計(jì)算。輸出電容 (Cout) 的選擇主要取決于所需的有效串聯(lián)電阻（ESR），以最小化電壓紋波和負(fù)載階躍瞬變。輸出紋波可通過公式 (Delta V{OUT }{L}left(ESR+frac{1}{8 cdot f cdot C{OUT }}right)) 計(jì)算。

3.1.4 (INTV _{CC}) 調(diào)節(jié)器旁路電容

內(nèi)部低壓差（LDO）調(diào)節(jié)器產(chǎn)生 3.3V 電源電壓，為 LTC3601 的大部分內(nèi)部電路供電。(INTV CC) 引腳連接到該調(diào)節(jié)器的輸出，必須有至少 1μF 的去耦電容接地。用戶可連接最大 5mA 的負(fù)載電流到該引腳，但需考慮增加的功耗和芯片溫度。

3.1.5 升壓電容

升壓電容 (C{BOOST }) 用于創(chuàng)建高于輸入電壓 (V{IN }) 的電壓軌。每次底部功率 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，升壓電容充電至約 (INTV CC) 的電壓，其電荷用于在開關(guān)周期的其余時(shí)間提供所需的瞬態(tài)電流。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，0.1μF 的陶瓷電容即可提供足夠的性能。

3.1.6 輸出電壓編程

LTC3601 根據(jù)公式 (V{OUT }=0.6Vleft(1+frac{R1}{R2}right)) 調(diào)整輸出電壓，使 VFB 等于 0.6V 的參考電壓。選擇合適的電阻 R1 和 R2 可設(shè)置所需的輸出電壓。為改善主控制回路的頻率響應(yīng)，可使用前饋電容 (C{F})。

3.2 最小關(guān)斷時(shí)間/導(dǎo)通時(shí)間考慮

最小關(guān)斷時(shí)間是 LTC3601 能夠?qū)ǖ撞抗β?MOSFET、觸發(fā)電流比較器并關(guān)閉功率 MOSFET 的最短時(shí)間，典型值為 40ns。最小導(dǎo)通時(shí)間是頂部功率 MOSFET 處于 “導(dǎo)通” 狀態(tài)的最短持續(xù)時(shí)間，典型值為 20ns。這些時(shí)間限制會(huì)影響最大和最小占空比，進(jìn)而影響輸入電壓的最小值和輸出電壓的調(diào)節(jié)。

3.3 內(nèi)部/外部環(huán)路補(bǔ)償

LTC3601 提供使用固定內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的選項(xiàng)，可減少所需的外部組件數(shù)量和設(shè)計(jì)時(shí)間。將 ITH 引腳連接到 (INTV CC) 引腳可選擇內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。為確保穩(wěn)定性，使用內(nèi)部補(bǔ)償時(shí)建議輸出電容至少為 47μF。用戶也可選擇特定的外部環(huán)路補(bǔ)償組件，以優(yōu)化主控制回路的瞬態(tài)響應(yīng)。

3.4 檢查瞬態(tài)響應(yīng)

可通過觀察系統(tǒng)對(duì)負(fù)載階躍的響應(yīng)來檢查調(diào)節(jié)器環(huán)路響應(yīng)。當(dāng)配置為外部補(bǔ)償時(shí)，ITH 引腳不僅可用于優(yōu)化控制回路行為，還可提供直流耦合和交流濾波的閉環(huán)響應(yīng)測(cè)試點(diǎn)。通過觀察該測(cè)試點(diǎn)的直流階躍、上升時(shí)間和穩(wěn)定行為，可估計(jì)系統(tǒng)的閉環(huán)響應(yīng)。

3.5 MODE/SYNC 操作

MODE/SYNC 引腳是一個(gè)多功能引腳，允許進(jìn)行模式選擇和工作頻率同步。將該引腳連接到 (INTV CC) 可啟用 Burst Mode 操作，在低負(fù)載電流時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的效率，但會(huì)有稍高的輸出電壓紋波。將 MODE/SYNC 引腳接地可選擇強(qiáng)制連續(xù)模式操作，產(chǎn)生最低的固定輸出紋波，但會(huì)犧牲輕負(fù)載效率。LTC3601 會(huì)檢測(cè) MODE/SYNC 引腳上的外部時(shí)鐘信號(hào)，并將內(nèi)部振蕩器同步到輸入時(shí)鐘的相位和頻率。

3.6 輸出電壓跟蹤和軟啟動(dòng)

LTC3601 允許用戶通過 TRACK 引腳控制輸出電壓的上升速率。從 0V 到 0.6V，TRACK 引腳將覆蓋誤差放大器的內(nèi)部參考輸入，迫使反饋電壓調(diào)節(jié)到 TRACK 引腳的電壓。當(dāng) TRACK 引腳的電壓上升到 0.6V 以上時(shí)，跟蹤功能禁用，反饋電壓將調(diào)節(jié)到內(nèi)部參考電壓。用戶可利用 TRACK 引腳上的內(nèi)部 1.4μA 上拉電流，通過連接一個(gè)電容到地來實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。

3.7 輸出功率良好

LTC3601 的 PGOOD 輸出由一個(gè) 15Ω（典型值）的開漏下拉器件驅(qū)動(dòng)。當(dāng)輸出電壓在目標(biāo)調(diào)節(jié)點(diǎn)的 5%（典型值）范圍內(nèi)時(shí)，該器件將關(guān)閉，PGOOD 引腳的電壓通過外部上拉電阻（典型值為 100k）上升。如果輸出電壓超出目標(biāo)調(diào)節(jié)點(diǎn)的 8%（典型值）調(diào)節(jié)窗口，開漏輸出將以 15Ω 的輸出電阻下拉到地，從而降低 PGOOD 引腳的電壓。40μs（典型值）的濾波時(shí)間可防止在 (V_{OUT }) 瞬態(tài)事件期間出現(xiàn)不必要的 PGOOD 輸出變化。

3.8 效率考慮

開關(guān)調(diào)節(jié)器的效率百分比等于輸出功率除以輸入功率乘以 100%。LTC3601 的主要損耗來源包括 (I^{2} R) 損耗、開關(guān)損耗和靜態(tài)電流損耗、過渡損耗和其他系統(tǒng)損耗。通過分析這些損耗，可以確定限制效率的因素，并采取相應(yīng)的措施來提高效率。

3.9 熱考慮

LTC3601 需要將封裝的暴露背板金屬（QFN 上的 PGND 引腳，MSOP 封裝上的 SGND 引腳）良好地焊接到 PCB 上，以提供良好的熱接觸。在正常操作中，由于其高效率和低熱阻封裝背板，LTC3601 通常不會(huì)產(chǎn)生過多的熱量。但在高環(huán)境溫度、高輸入電壓、高開關(guān)頻率和最大輸出電流的應(yīng)用中，可能會(huì)超過芯片的最大結(jié)溫。用戶應(yīng)進(jìn)行熱分析，以確保 LTC3601 不超過最大結(jié)溫。

3.10 電路板布局考慮

在布局印刷電路板時(shí)，應(yīng)遵循以下檢查清單，以確保 LTC3601 的正常運(yùn)行：

1. 電容 (C{IN}) 應(yīng)盡可能靠近引腳連接到 (V{IN }) 和 PGND。
2. 輸出電容 (COUT) 和電感 L1 應(yīng)緊密連接，以最小化損耗。
3. 電阻分壓器 R1 和 R2 應(yīng)連接在 (Cout) 的正極板和靠近 SGND 的地線之間，反饋信號(hào) (VFB) 應(yīng)遠(yuǎn)離噪聲組件和走線，如 SW 線。
4. 敏感組件應(yīng)遠(yuǎn)離 SW 引腳。
5. 建議使用接地平面，若不可用，信號(hào)和電源地應(yīng)分開，并連接到一個(gè)公共的低噪聲參考點(diǎn)。
6. 在所有層的未使用區(qū)域填充銅，以降低功率組件的溫度上升。

四、設(shè)計(jì)示例

以一個(gè)具體的設(shè)計(jì)為例，假設(shè)應(yīng)用規(guī)格為 (V{IN }=12 ~V)，(V{OUT }=1.8 ~V)，(I_{OUT(MAX) }=1.5 ~A)，(I OUT(MIN)=) 10mA，(f=1 MHz)。由于在高負(fù)載和低負(fù)載電流時(shí)效率都很重要，選擇 Burst Mode 操作。

1. 選擇 RRT 電阻值：根據(jù)公式 (R{RT}=frac{3.2E11}{f{0}})，計(jì)算出 (R_{RT}) 應(yīng)為 324k。
2. 確定電感值：使用公式 (L=left(frac{1.8V}{1MHz cdot 600mA}right)left(1-frac{1.8V}{12V}right)=2.55 mu H)，選擇標(biāo)準(zhǔn)值 2.2μH 的電感。
3. 選擇 (C_{OUT })：根據(jù)所需的輸出瞬態(tài)性能和輸出電壓紋波要求，選擇 22μF 的陶瓷電容。
4. 選擇 (C_{IN})：計(jì)算 (C_{IN}) 的最大電流額定值為 (RMS =1.5Aleft(frac{sqrt{1.8V(12V-1.8V)}}{12V}right)=0.54A)，使用 22μF 的陶瓷電容進(jìn)行去耦。
5. 選擇升壓電容：使用 0.1μF 的升壓電容。
6. 選擇補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)：將 (I_{TH}) 引腳連接到 (INTV CC) 引腳，選擇內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
7. 連接 PGOOD 引腳：將 PGOOD 引腳通過 100k 電阻連接到 (V_{IN})。

五、典型應(yīng)用電路

文檔中還給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，如 12V 輸入到 1.8V 輸出在 4MHz 同步頻率下的電路、8.4V 輸入到 3.3V 輸出在 2MHz 工作頻率下使用強(qiáng)制連續(xù)模式的電路等，并提供了相應(yīng)的效率與負(fù)載電流曲線。

六、相關(guān)部件

文檔還介紹了一些相關(guān)部件，如 LTC3602、LTC3603、LTC3604、LTC3605、LTC3610 和 LTC3611 等，這些部件在輸出電流、工作頻率、輸入電壓范圍等方面有所不同，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

總之，LTC3601 是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的同步降壓調(diào)節(jié)器，在電源管理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部組件，優(yōu)化電路板布局，以充分發(fā)揮 LTC3601 的優(yōu)勢(shì)。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。