LT3972：高性能降壓開關穩(wěn)壓器的設計與應用

在電子設計領域，降壓開關穩(wěn)壓器是一種常見且關鍵的組件，它能將較高的輸入電壓轉換為較低的穩(wěn)定輸出電壓，滿足各種電子設備的供電需求。今天，我們要深入探討的是LINEAR TECHNOLOGY公司的LT3972降壓開關穩(wěn)壓器，它在性能和功能上都有著出色的表現。

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一、LT3972的特性亮點

1. 寬輸入范圍

LT3972的輸入電壓范圍為3.6V至33V，并且具備過壓鎖定保護功能，能夠承受高達62V的瞬態(tài)電壓，這使得它在各種復雜的電源環(huán)境中都能穩(wěn)定工作。例如，在汽車電池供電系統(tǒng)中，電壓波動較大，LT3972的寬輸入范圍和過壓保護特性就顯得尤為重要。

2. 高效低功耗

它的最大輸出電流可達3.5A，能夠滿足大多數中小功率設備的供電需求。同時，在低紋波Burst Mode? 操作模式下，靜態(tài)電流僅為75μA（在12V輸入至3.3V輸出的情況下），關機電流小于1μA，大大降低了功耗，提高了能源效率。

3. 可調開關頻率

開關頻率可在200kHz至2.4MHz之間進行調整，這為設計師提供了更大的靈活性。較高的開關頻率可以使用更小的電感和電容，從而減小電路板的尺寸；而較低的開關頻率則可以提高效率，降低開關損耗。

4. 其他特性

集成了升壓二極管，可實現同步操作（同步范圍為250kHz至2MHz），具備電源良好標志（Power Good Flag），采用飽和開關設計（導通電阻為95mΩ），輸出電壓可在0.79V至30V之間調節(jié)，還具備熱保護和軟啟動功能。此外，它采用了小型的10引腳熱增強型MSOP和(3mm × 3mm) DFN封裝，節(jié)省了電路板空間。

二、工作原理

LT3972是一款恒定頻率、電流模式的降壓穩(wěn)壓器。其工作過程如下：

1. 開關控制：由RT電阻設定振蕩器的頻率，該頻率使RS觸發(fā)器置位，從而開啟內部功率開關。
2. 電流監(jiān)測：放大器和比較器監(jiān)測VIN和SW引腳之間的電流，當電流達到由VC引腳電壓確定的水平時，開關關閉。
3. 誤差放大：誤差放大器通過外部電阻分壓器測量輸出電壓，并對VC引腳進行伺服控制。如果誤差放大器的輸出增加，輸出電流也會增加；反之則減少。
4. 電流限制：VC引腳的有源鉗位提供電流限制功能，同時VC引腳還被鉗位到RUN/SS引腳的電壓。通過在RUN/SS引腳使用外部電阻和電容產生電壓斜坡，實現軟啟動功能。
5. 電源管理：內部穩(wěn)壓器為控制電路提供電源，偏置穩(wěn)壓器通常從VIN引腳獲取電源，但如果BD引腳連接到高于3V的外部電壓，則會從外部源獲取偏置電源，從而提高效率。
6. 模式切換：在輕負載情況下，LT3972會自動切換到Burst Mode操作，此時控制輸出開關的所有電路都會關閉，將輸入電源電流降低到75μA。此外，當FB引腳電壓較低時，振蕩器會降低工作頻率，這種頻率折返有助于在啟動和過載時控制輸出電流。
7. 電源良好監(jiān)測：內部的電源良好比較器在FB引腳達到其調節(jié)值的91%時觸發(fā)，PG輸出是一個集電極開路晶體管，當輸出處于調節(jié)狀態(tài)時，該晶體管截止，允許外部電阻將PG引腳拉高。

三、應用設計要點

1. FB電阻網絡

輸出電壓通過輸出和FB引腳之間的電阻分壓器進行編程，計算公式為： [R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{0.79 V}-1right)] 選擇1%精度的電阻可以確保輸出電壓的準確性。

2. 開關頻率設置

選擇開關頻率時需要權衡效率、組件尺寸、最小壓差和最大輸入電壓等因素。較高的開關頻率可以使用較小的電感和電容，但會降低效率、減小最大輸入電壓并增加壓差；較低的開關頻率則相反。

3. 輸入電壓范圍

LT3972的最大輸入電壓取決于開關頻率、VIN和BOOST引腳的絕對最大額定值以及操作模式。它可以在高達33V的輸入電壓下工作，并能承受高達62V的電壓。當VIN高于35V（典型值，最小值為33V，最大值為37V）時，開關將關閉，輸出將不再處于調節(jié)狀態(tài)。 在輸出啟動、短路或其他過載條件下，應根據以下公式選擇開關頻率： [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}] 其中，(V{IN(MAX) }) 是最大工作輸入電壓，(V{OUT }) 是輸出電壓，(V{D}) 是續(xù)流二極管壓降（約0.5V），(V{SW}) 是內部開關壓降（最大負載時約0.5V），(f{SW }) 是開關頻率（由RT設定），(t{ON(MIN)}) 是最小開關導通時間（約100ns）。 在輸出處于調節(jié)狀態(tài)且無短路、啟動或過載事件時，無論開關頻率如何，高達33V的輸入電壓瞬變都是可以接受的。此時，LT3972可能會進入脈沖跳過操作，以保持輸出調節(jié)，但輸出電壓紋波和電感電流紋波會比正常操作時更高。 最小輸入電壓由LT3972的最小工作電壓（約3.6V）或其最大占空比決定，計算公式為： [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}] 其中，(V{IN(MIN) }) 是最小輸入電壓，(t{OFF(MIN)}) 是最小開關關斷時間（150ns）。較高的開關頻率會增加最小輸入電壓，如果需要較低的壓差，應使用較低的開關頻率。

4. 電感選擇

對于給定的輸入和輸出電壓，電感值和開關頻率將決定紋波電流。紋波電流 (Delta I{L}) 隨著 (V{IN }) 或 (V{OUT}) 的增加而增加，隨著電感值和開關頻率的增加而減小。選擇紋波電流的合理起點是： [Delta I{L}=0.4left(I{OUT(MAX) }right)] 其中，(I{OUT(MAX)}) 是最大輸出負載電流。為了保證足夠的輸出電流，峰值電感電流必須低于LT3972的開關電流限制（(I{LIM})），峰值電感電流的計算公式為： [I{L(PEAK) }=I{OUT(MAX) }+Delta I{L} / 2] LT3972的開關電流限制在低占空比時為5.5A，在占空比為0.8時線性下降到4.5A。最大輸出電流是電感紋波電流的函數： [I{OUT(MAX)}=I{LIM}-Delta I{L} / 2] 為了保證紋波電流不超過指定的最大值，應根據以下公式選擇電感值： [L=left(frac{V{OUT }+V{D}}{f{SW} Delta I{L}}right)left(1-frac{V{OUT }+V{D}}{V{IN(MAX)}}right)] 其中，(V{D}) 是續(xù)流二極管的壓降（約0.4V），(V{IN(MAX) }) 是最大輸入電壓，(V{OUT}) 是輸出電壓，(f{SW }) 是開關頻率（由RT設定），L是電感值。 電感的RMS電流額定值必須大于最大負載電流，其飽和電流應比最大負載電流高約30%。在故障條件（啟動或短路）和高輸入電壓（>30V）下，為了保證穩(wěn)健運行，飽和電流應高于5A。為了保持高效率，串聯電阻（DCR）應小于0.1Ω，并且磁芯材料應適用于高頻應用。

5. 輸入電容

使用X7R或X5R類型的陶瓷電容對LT3972電路的輸入進行旁路。Y5V類型的電容在溫度和施加電壓方面性能較差，不應使用。10μF至22μF的陶瓷電容足以對LT3972進行旁路，并能輕松處理紋波電流。當使用較低的開關頻率時，需要更大的輸入電容。如果輸入電源具有高阻抗，或者由于長電線或電纜存在顯著的電感，則可能需要額外的大容量電容，可以使用性能較低的電解電容來提供。 降壓穩(wěn)壓器從輸入電源以具有非?？焖偕仙拖陆禃r間的脈沖形式汲取電流，輸入電容用于減少LT3972處的電壓紋波，并將這種高頻開關電流限制在一個緊密的局部回路中，從而最小化EMI。10μF的電容能夠完成這項任務，但必須將其放置在靠近LT3972和續(xù)流二極管的位置。此外，陶瓷輸入電容與走線或電纜電感結合會形成高品質（欠阻尼）的諧振電路，如果LT3972電路插入帶電電源，輸入電壓可能會振蕩到其標稱值的兩倍，可能超過LT3972的電壓額定值，可參考相關應用筆記來避免這種情況。 對于對空間敏感的應用，可以使用4.7μF的陶瓷電容對LT3972輸入進行局部旁路，但較低的輸入電容會導致輸入電流紋波和輸入電壓紋波增加，并可能將噪聲耦合到其他電路中。此外，增加的電壓紋波會將LT3972的最小工作電壓提高到約3.7V。

6. 輸出電容和輸出紋波

輸出電容有兩個重要功能：一是與電感一起過濾LT3972產生的方波，以產生直流輸出，在這個過程中，它決定了輸出紋波，因此在開關頻率下具有低阻抗非常重要；二是存儲能量以滿足瞬態(tài)負載并穩(wěn)定LT3972的控制回路。陶瓷電容具有非常低的等效串聯電阻（ESR），能夠提供最佳的紋波性能。推薦的輸出電容值計算公式為： [C{OUT }=frac{100}{ V{OUT } f{SW }}] 其中，(f{SW }) 以MHz為單位，(C_{OUT }) 是推薦的輸出電容值（單位為μF）。應使用X5R或X7R類型的電容，這樣可以提供低輸出紋波和良好的瞬態(tài)響應。如果同時調整補償網絡以保持環(huán)路帶寬，使用更高值的電容可以改善瞬態(tài)性能。為了節(jié)省空間和成本，可以使用較低值的輸出電容，但瞬態(tài)性能會受到影響。 在選擇電容時，應仔細查看數據手冊，了解在工作條件（施加電壓和溫度）下的實際電容值。可能需要使用物理尺寸更大或電壓額定值更高的電容。高性能鉭電容或電解電容也可用于輸出電容，低ESR很重要，應選擇適用于開關穩(wěn)壓器的電容，其ESR應由供應商指定，且應小于0.05Ω。

7. 續(xù)流二極管

續(xù)流二極管僅在開關關斷期間導通電流，正常操作時的平均正向電流可以通過以下公式計算： [D(A V G)=I{OUT }left(V{I N}-V{OUT }right) / V{IN }] 其中，(I{OUT}) 是輸出負載電流?？紤]使用額定電流大于正常操作所需電流的二極管的唯一原因是在輸出短路的最壞情況下。此時，二極管電流將增加到典型的峰值開關電流。峰值反向電壓等于穩(wěn)壓器的輸入電壓，應使用反向電壓額定值大于輸入電壓的肖特基二極管。LT3972中的過壓保護功能會在 (V{IN }>35V) 時關閉開關，因此即使 (V_{IN }) 范圍高達62V，也可以使用40V額定的肖特基二極管。

8. 頻率補償

LT3972采用電流模式控制來調節(jié)輸出，這簡化了環(huán)路補償。特別是，LT3972不需要輸出電容的ESR來保證穩(wěn)定性，因此可以自由使用陶瓷電容來實現低輸出紋波和小電路尺寸。頻率補償由連接到 (V{C}) 引腳的組件提供，通常使用一個電容（(C{C})）和一個電阻（(R{C})）串聯到地，此外，可能還會有一個較小值的電容并聯。這個電容（(C{F})）不是環(huán)路補償的一部分，而是用于過濾開關頻率處的噪聲，僅在使用相位超前電容或輸出電容具有高ESR時才需要。 環(huán)路補償決定了穩(wěn)定性和瞬態(tài)性能，設計補償網絡有點復雜，最佳值取決于應用，特別是輸出電容的類型。一種實用的方法是從本數據手冊中選擇一個與您的應用相似的電路，然后調整補償網絡以優(yōu)化性能。應在所有操作條件下（包括負載電流、輸入電壓和溫度）檢查穩(wěn)定性。

9. 低紋波Burst Mode操作和脈沖跳過模式

LT3972能夠在低紋波Burst Mode操作或脈沖跳過模式下運行，通過SYNC引腳進行選擇。 在輕負載時，為了提高效率，LT3972可以在低紋波Burst Mode操作下運行，這種模式在保持輸出電容充電到適當電壓的同時，將輸入靜態(tài)電流降至最低。在Burst Mode操作期間，LT3972向輸出電容提供單周期的電流脈沖，然后進入睡眠期，在此期間輸出功率由輸出電容提供給負載。由于LT3972以單個低電流脈沖的形式向輸出提供功率，因此在典型應用中，輸出紋波可保持在15mV以下。此外，在睡眠期間，(V_{IN}) 和BD的靜態(tài)電流分別降至典型的30μA和90μA。隨著負載電流向空載條件減小，LT3972在睡眠模式下的運行時間百分比增加，平均輸入電流大大降低，即使在非常低的負載下也能實現高效率。 如果不需要低靜態(tài)電流，LT3972可以在脈沖跳過模式下運行。這種模式的優(yōu)點是，與Burst Mode操作相比，LT3972在較低的輸出負載電流下就會進入全頻率標準PWM操作。對于前頁的應用電路，在輸出負載高于約60mA時將以全頻率開關。通過向SYNC引腳施加時鐘信號或高于0.9V的直流電壓來選擇脈沖跳過模式。

10. BOOST和BIAS引腳考慮

電容C3和內部升壓肖特基二極管用于生成高于輸入電壓的升壓電壓。在大多數情況下，0.22μF的電容效果良好。BOOST引腳必須比SW引腳高2.3V以上才能實現最佳效率。 對于3V及以上的輸出，標準電路是最佳選擇；對于2.8V至3V之間的輸出，應使用1μF的升壓電容；對于2.5V的輸出，由于使用內部升壓二極管時僅能勉強支持升壓驅動級，因此需要使用一個良好的外部肖特基二極管（如ON Semi MBR0540）和1μF的升壓電容；對于較低的輸出電壓，升壓二極管可以連接到輸入或另一個大于2.8V的電源。將BD連接到VIN會將最大輸入電壓降低到28V。圖5a中的電路更高效，因為BOOST引腳電流和BD引腳靜態(tài)電流來自較低電壓源。同時，必須確保BOOST和BD引腳的最大電壓額定值不被超過。 LT3972應用的最小工作電壓受最小輸入電壓（3.6V）和最大占空比的限制。對于正確的啟動，最小輸入電壓還受升壓電路的限制。如果輸入電壓緩慢上升，或者在輸出已經處于調節(jié)狀態(tài)時通過RUN/SS引腳開啟LT3972，則升壓電容可能無法完全充電。由于升壓電容通過電感中存儲的能量充電，因此電路需要一定的最小負載電流才能使升壓電路正常運行。這個最小負載取決于輸入和輸出電壓以及升壓電路的布置，一旦電路啟動，最小負載通常會降至零。

11. 軟啟動

RUN/SS引腳可用于對LT39