LT1913：高效降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是一種常見(jiàn)且關(guān)鍵的元件，它能將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的穩(wěn)定輸出電壓，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。今天，我們就來(lái)深入探討 Linear Technology 公司的 LT1913 降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，了解它的特性、工作原理以及在實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、LT1913 特性概覽

LT1913 是一款可調(diào)頻率的單片降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，具有以下顯著特性：

1. 寬輸入范圍：支持 3.6V 至 25V 的輸入電壓，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
2. 大輸出電流：最大輸出電流可達(dá) 3.5A，可滿足大多數(shù)負(fù)載的功率需求。
3. 可調(diào)開(kāi)關(guān)頻率：開(kāi)關(guān)頻率可在 200kHz 至 2.4MHz 之間調(diào)整，為設(shè)計(jì)提供了靈活性。
4. 低關(guān)斷電流：關(guān)斷電流 (I_{0}<1 mu A)，有助于降低功耗。
5. 集成升壓二極管：內(nèi)部集成了升壓肖特基二極管，簡(jiǎn)化了外部電路設(shè)計(jì)。
6. 可同步性：能在 250kHz 至 2MHz 范圍內(nèi)進(jìn)行同步，方便與其他電路協(xié)同工作。
7. 電源良好標(biāo)志：通過(guò) PG 引腳可指示輸出電壓是否達(dá)到編程值的 91%。
8. 飽和開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)：導(dǎo)通電阻僅 95mΩ，提高了效率。
9. 反饋參考電壓：反饋參考電壓為 0.790V，便于精確控制輸出電壓。
10. 輸出電壓范圍：輸出電壓可在 0.79V 至 25V 之間調(diào)節(jié)。
11. 熱保護(hù)和軟啟動(dòng)功能：具備熱保護(hù)功能，防止芯片過(guò)熱；軟啟動(dòng)功能可減少啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。
12. 小封裝：采用 10 引腳（3mm × 3mm）DFN 封裝，節(jié)省電路板空間。

二、工作原理剖析

LT1913 采用恒定頻率、電流模式的降壓調(diào)節(jié)方式。其工作過(guò)程如下：

1. 振蕩器控制：由 RT 引腳連接的電阻設(shè)定振蕩器頻率，振蕩器使 RS 觸發(fā)器置位，開(kāi)啟內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)。
2. 電流監(jiān)測(cè)：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 (V_{C}) 引腳電壓所確定的水平時(shí)，關(guān)閉開(kāi)關(guān)。
3. 誤差放大：誤差放大器通過(guò)外部電阻分壓器測(cè)量輸出電壓，并調(diào)節(jié) (V_{C}) 引腳電壓，從而控制輸出電流。
4. 電流限制：(V_{C}) 引腳的有源鉗位提供電流限制功能。
5. 軟啟動(dòng)：通過(guò)在 RUN/SS 引腳使用外部電阻和電容生成電壓斜坡，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。
6. 內(nèi)部調(diào)節(jié)器：內(nèi)部調(diào)節(jié)器為控制電路供電，可從 (VIN) 引腳或 BD 引腳獲取偏置電源，提高效率。
7. 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)：開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器可從輸入或 BOOST 引腳獲取電源，通過(guò)外部電容和二極管產(chǎn)生高于輸入電壓的 BOOST 電壓，使內(nèi)部雙極 NPN 功率開(kāi)關(guān)充分飽和。
8. 頻率折返：當(dāng) FB 引腳電壓較低時(shí)，振蕩器降低工作頻率，有助于在啟動(dòng)和過(guò)載時(shí)控制輸出電流。
9. 電源良好比較器：當(dāng) FB 引腳電壓達(dá)到其調(diào)節(jié)值的 91% 時(shí)，電源良好比較器觸發(fā)，PG 輸出為開(kāi)路集電極晶體管，輸出正常時(shí)為高電平。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. FB 電阻網(wǎng)絡(luò)

輸出電壓通過(guò)輸出與 FB 引腳之間的電阻分壓器進(jìn)行編程，計(jì)算公式為 (R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{0.79 V}-1right))，應(yīng)選擇 1% 精度的電阻。

2. 開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置

LT1913 可通過(guò)將電阻從 RT 引腳連接到地來(lái)設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率，頻率范圍為 200kHz 至 2.4MHz。選擇合適的開(kāi)關(guān)頻率需要權(quán)衡效率、元件尺寸、最小壓降和最大輸入電壓等因素。

• 高頻優(yōu)勢(shì)：可使用較小的電感和電容值。
• 高頻劣勢(shì)：效率降低、最大輸入電壓降低、壓降增加。
• 最大開(kāi)關(guān)頻率計(jì)算：(f{S W(M A X)}=frac{V{D}+V{OUT }}{t{ON(MIN) }left(V{D}+V{IN }-V{S W}right)})，其中 (V{D}) 為續(xù)流二極管壓降（約 0.5V），(V_{SW}) 為內(nèi)部開(kāi)關(guān)壓降（最大負(fù)載時(shí)約 0.5V）。
• 最小和最大占空比計(jì)算：(DC{MIN}=f{SW} t{ON(MIN)})，(DC{MAX }=1-f{SW } t{OFF(MIN) })，開(kāi)關(guān)頻率降低時(shí)，占空比范圍增大。

3. 輸入電壓范圍

• 最大輸入電壓：取決于開(kāi)關(guān)頻率和 (V{IN})、BOOST 引腳的絕對(duì)最大額定值。在輸出啟動(dòng)、短路或過(guò)載時(shí)，最大輸入電壓計(jì)算公式為 (V{I N(M A X)}=frac{V{OUT }+V{D}}{f{S W} t{O N(M I N)}}-V{D}+V{S W})，較高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)降低最大輸入電壓。
• 最小輸入電壓：由 LT1913 的最小工作電壓（約 3.6V）或最大占空比決定，計(jì)算公式為 (V{I N(M I N)}=frac{V{OUT }+V{D}}{1-f{S W} t{O F F(M I N)}}-V{D}+V_{S W})，較高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)增加最小輸入電壓。

4. 電感選擇

電感值和開(kāi)關(guān)頻率決定了紋波電流，合理的紋波電流起始值為 (Delta I{L}=0.4left(I{OUT(MAX) }right))，峰值電感電流 (I{L(P E A K)}=I{OUT(M A X)}+Delta I{L} / 2)，應(yīng)確保峰值電感電流低于 LT1913 的開(kāi)關(guān)電流限制。電感值計(jì)算公式為 (L=left(frac{V{OUT }+V{D}}{f{SW} Delta l{L}}right)left(1-frac{V{OUT }+V{D}}{V{IN(MAX)}}right))，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)高約 30%，串聯(lián)電阻（DCR）應(yīng)小于 0.05Ω。

5. 輸入電容

使用 X7R 或 X5R 類型的陶瓷電容對(duì) LT1913 電路的輸入進(jìn)行旁路，10μF 至 22μF 的陶瓷電容通常足夠。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較低時(shí)，需要更大的輸入電容。若輸入電源阻抗高或存在長(zhǎng)導(dǎo)線電感，可能需要額外的大容量電容。同時(shí)，要注意避免陶瓷輸入電容與走線或電纜電感形成的諧振導(dǎo)致輸入電壓過(guò)沖。

6. 輸出電容和輸出紋波

輸出電容的主要作用是濾波和存儲(chǔ)能量，推薦的輸出電容值計(jì)算公式為 (C{OUT }=frac{100}{V{OUT } t_{SW }})，應(yīng)使用 X5R 或 X7R 類型的陶瓷電容，以獲得低輸出紋波和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。也可使用高性能鉭或電解電容，但需注意低 ESR 要求。

7. 續(xù)流二極管

續(xù)流二極管在開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間導(dǎo)通，正常工作時(shí)的平均正向電流計(jì)算公式為 (ID(AVG)=I{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right) / N{IN })，應(yīng)使用反向電壓額定值大于輸入電壓的肖特基二極管。

8. 頻率補(bǔ)償

LT1913 使用電流模式控制，簡(jiǎn)化了環(huán)路補(bǔ)償。通常在 (V{C}) 引腳連接電容 (C{C}) 和電阻 (R{C}) 進(jìn)行補(bǔ)償，還可并聯(lián)一個(gè)小電容 (C{F}) 用于濾波。設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)具體應(yīng)用和輸出電容類型進(jìn)行調(diào)整，可參考類似電路并進(jìn)行優(yōu)化。

9. BOOST 和 BIAS 引腳考慮

使用電容 C3 和內(nèi)部升壓肖特基二極管生成高于輸入電壓的 BOOST 電壓，一般 0.47μF 電容效果較好。不同輸出電壓需要不同的 BOOST 電路配置，要確保 BOOST 引腳電壓比 SW 引腳高 2.3V 以上以獲得最佳效率。

10. 軟啟動(dòng)

通過(guò)在 RUN/SS 引腳連接外部 RC 濾波器，可實(shí)現(xiàn) LT1913 的軟啟動(dòng)，減少啟動(dòng)時(shí)的最大輸入電流。選擇合適的 RC 時(shí)間常數(shù)，可將啟動(dòng)峰值電流降低到調(diào)節(jié)輸出所需的電流，避免過(guò)沖。

11. 同步

將方波（占空比 20% 至 80%）連接到 SYNC 引腳，可將 LT1913 振蕩器同步到外部頻率，同步范圍為 250kHz 至 2MHz。(R_{T}) 電阻應(yīng)設(shè)置為使 LT1913 開(kāi)關(guān)頻率比最低同步輸入低 20%。

12. 短路和反接保護(hù)

選擇合適的電感可使 LT1913 承受輸出短路。在某些情況下，可使用二極管防止輸入短路或反接對(duì)電路造成損壞。

13. PCB 布局

為保證正常工作和降低 EMI，PCB 布局需注意：

• 使 LT1913 的 (VIN) 和 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元件放置在電路板同一側(cè)，并在該層進(jìn)行連接。
• 在這些元件下方設(shè)置局部連續(xù)接地平面。
• 減小 SW 和 BOOST 節(jié)點(diǎn)的面積。
• 減小 FB 和 (V_{C}) 節(jié)點(diǎn)的面積，利用接地走線屏蔽它們免受 SW 和 BOOST 節(jié)點(diǎn)的干擾。
• 將封裝底部的暴露焊盤(pán)焊接到接地平面，作為散熱片，并通過(guò)熱過(guò)孔連接到其他接地層，降低熱阻。

14. 熱插拔安全

使用陶瓷輸入電容時(shí)，熱插拔可能導(dǎo)致輸入電壓過(guò)沖，可在輸入串聯(lián)電阻和電容來(lái)消除過(guò)沖，同時(shí)提高高頻濾波效果。

15. 高溫考慮

PCB 需提供散熱措施，確保 LT1913 保持涼爽。通過(guò)將暴露焊盤(pán)焊接到接地平面，并使用熱過(guò)孔連接到其他銅層，可降低熱阻。在高溫環(huán)境下，需根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)最大負(fù)載電流進(jìn)行降額處理。

四、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多種典型應(yīng)用電路，包括 5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V 等不同輸出電壓的降壓轉(zhuǎn)換器，以及 2MHz 高頻率的 5V 降壓轉(zhuǎn)換器和 12V 降壓轉(zhuǎn)換器。這些電路為實(shí)際設(shè)計(jì)提供了參考，可根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)整。

五、相關(guān)產(chǎn)品推薦

文檔還列出了 Linear Technology 公司的其他相關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，如 LT1766、LT1933、LT1936 等，這些產(chǎn)品在輸入電壓范圍、輸出電流、開(kāi)關(guān)頻率等方面各有特點(diǎn)，可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇。

總之，LT1913 是一款性能出色的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，需要綜合考慮各方面因素，根據(jù)具體需求進(jìn)行合理的元件選擇和電路設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和穩(wěn)定性。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)難題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和問(wèn)題。