深入剖析LTC3632：高效高壓同步降壓轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)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。今天，我們就來詳細(xì)探討一款備受矚目的電源管理芯片——LINEAR TECHNOLOGY的LTC3632高效高壓20mA同步降壓轉(zhuǎn)換器。

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產(chǎn)品概述

LTC3632是一款集成了高端和同步功率開關(guān)的高效高壓降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。在無負(fù)載的情況下，它僅消耗12μA的典型直流電源電流，同時(shí)還能保持輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。該芯片能夠提供高達(dá)20mA的負(fù)載電流，并且具備可編程的峰值電流限制功能，這為在低電流應(yīng)用中優(yōu)化效率提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法。

產(chǎn)品特性

寬輸入電壓范圍

LTC3632的輸入電壓范圍為4.5V至50V，過壓鎖定功能可提供高達(dá)60V的保護(hù)。這一特性使得它能夠適應(yīng)各種不同的電源環(huán)境，無論是電池供電還是工業(yè)電源，都能穩(wěn)定工作。

低靜態(tài)電流與高效率

芯片的靜態(tài)電流僅為12μA，結(jié)合其Burst Mode?操作、集成功率開關(guān)和可編程峰值電流限制，能夠在很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。在輕負(fù)載情況下，Burst Mode操作通過短“突發(fā)”周期來提升電感電流，隨后進(jìn)入睡眠周期，此時(shí)功率開關(guān)關(guān)閉，負(fù)載電流由輸出電容提供，從而大大降低了平均電源電流，提高了效率。

無需補(bǔ)償與低 dropout 操作

該芯片無需外部補(bǔ)償電路，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。同時(shí)，它還支持100%占空比的低 dropout操作，確保在輸入電壓接近輸出電壓時(shí)仍能正常工作。

其他特性

• 輸出電壓范圍為0.8V至 (V_{IN })，反饋電壓參考為0.8V ±1%，保證了輸出電壓的精度。
• 具備可調(diào)節(jié)的峰值電流限制和內(nèi)部/外部軟啟動(dòng)功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
• 精確的RUN引腳閾值和可調(diào)節(jié)的遲滯功能，確保了電源系統(tǒng)在任何環(huán)境下的啟動(dòng)都能得到良好控制。
• 所需的外部組件較少，采用低剖面（0.75mm）的3mm × 3mm DFN和熱增強(qiáng)型MS8E封裝，節(jié)省了電路板空間。

應(yīng)用領(lǐng)域

LTC3632的應(yīng)用非常廣泛，包括4mA至20mA電流環(huán)路、工業(yè)控制電源、分布式電源系統(tǒng)、便攜式儀器、電池供電設(shè)備以及汽車電源系統(tǒng)等。其寬輸入電壓范圍和高效性能使其成為這些應(yīng)用場(chǎng)景中的理想選擇。

工作原理

主控制環(huán)路

反饋比較器會(huì)監(jiān)測(cè) (VFB) 引腳的電壓，并將其與內(nèi)部800mV參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)該電壓高于參考電壓時(shí)，比較器會(huì)激活睡眠模式，此時(shí)功率開關(guān)和電流比較器將被禁用， (VIN) 引腳的電源電流將降至僅12μA。隨著負(fù)載電流使輸出電容放電， (V_{FB}) 引腳的電壓會(huì)下降。當(dāng)該電壓降至800mV參考電壓以下5mV時(shí)，反饋比較器會(huì)觸發(fā)并啟用突發(fā)周期。

啟動(dòng)與關(guān)閉

當(dāng)RUN引腳的電壓低于0.7V時(shí)，LTC3632將進(jìn)入關(guān)閉模式，此時(shí)所有內(nèi)部電路都將被禁用，直流電源電流降至3μA。當(dāng)RUN引腳的電壓超過1.2V時(shí)，主控制環(huán)路將恢復(fù)正常工作。RUN引腳比較器具有110mV的內(nèi)部遲滯，因此必須降至1.1V以下才能禁用主控制環(huán)路。

峰值電感電流編程

峰值電流比較器的偏移量通常提供50mA的峰值電感電流。通過在I (SET) 引腳和地之間連接一個(gè)電阻，可以調(diào)整該峰值電感電流。從該引腳流出的1μA電流通過電阻產(chǎn)生的電壓會(huì)轉(zhuǎn)化為峰值電流比較器的偏移量，從而限制峰值電感電流。

輸入欠壓和過壓鎖定

LTC3632具備保護(hù)功能，當(dāng)輸入電壓不在4.5V至50V的工作范圍內(nèi)時(shí)，將禁用開關(guān)操作。如果 (V_{IN }) 降至典型值4V（最大值4.35V）以下，欠壓檢測(cè)器將禁用開關(guān)；同樣，如果 (VIN) 升至典型值55V（最小值53V）以上，過壓檢測(cè)器也將禁用開關(guān)。當(dāng)開關(guān)被禁用時(shí)，LTC3632可以安全地承受高達(dá)60V的絕對(duì)最大額定輸入電壓。當(dāng)輸入電壓恢復(fù)到4.5V至50V的工作范圍時(shí)，開關(guān)操作將重新啟用。

應(yīng)用信息

外部組件選擇

• 峰值電流電阻選擇：峰值電流比較器的最大電流限制通常為50mA，對(duì)應(yīng)最大平均電流為25mA。對(duì)于需要較小電流的應(yīng)用，可以將峰值電流閾值降低至最低10mA。通過選擇合適的電阻（連接在RI (SET) 引腳和地之間），可以輕松編程該閾值。電阻值可以通過圖1或以下公式計(jì)算： [R{ISET }=I{PEAK } cdot 21 cdot 10^{6}] 其中，10 mA < (I_{PEAK }) < 50 mA。
• 電感選擇：電感、輸入電壓、輸出電壓和峰值電流決定了LTC3632的開關(guān)頻率。對(duì)于給定的輸入電壓、輸出電壓和峰值電流，電感值在輸出處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)設(shè)定開關(guān)頻率。可以使用以下公式確定電感值的初始選擇： [L=left(frac{V{OUT }}{f cdot I{PEAK }}right) cdotleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)] 同時(shí)，為了確保電感電流得到良好控制，電感值必須大于 (L{MIN})，可以通過以下公式計(jì)算： [L{MIN }=frac{V{IN(MAX)} cdot t{ON(MIN)}}{I{PEAK(MAX)}}] 其中， (V{IN(MAX) }) 是應(yīng)用的最大輸入電源電壓， (t{ON(MIN)}) 為100ns， (I{PEAK(MAX)}) 是允許的最大峰值電感電流。
• (C{IN }) 和 (C{OUT }) 選擇：輸入電容 (C{IN}) 用于過濾頂部高端MOSFET源極的梯形電流，應(yīng)選擇低ESR且尺寸適合最大RMS電流的電容。輸出電容 (C{OUT }) 用于過濾電感的紋波電流，并在LTC3632處于睡眠狀態(tài)時(shí)存儲(chǔ)能量以滿足負(fù)載電流需求?？梢酝ㄟ^以下公式近似計(jì)算輸出紋波電壓： [Delta V{OUT } approxleft(frac{I{PEAK }}{2}-I{LOAD }right) frac{4 cdot 10^{-6}}{C{OUT }}+frac{V{OUT }}{160}] 為了限制最小負(fù)載電流下的輸出電壓紋波，應(yīng)選擇合適的輸出電容 (C{OUT })。

輸出電壓編程

輸出電壓由外部電阻分壓器根據(jù)以下公式設(shè)定： [V_{OUT }=0.8 V cdotleft(1+frac{R 1}{R 2}right)] 為了最小化無負(fù)載電源電流，應(yīng)使用兆歐級(jí)的電阻值，但需注意PCB泄漏電流可能對(duì)輸出電壓產(chǎn)生的影響。

運(yùn)行引腳與可編程遲滯

RUN引腳可控制LTC3632的低功耗關(guān)閉模式。將RUN引腳拉至0.7V以下，芯片將進(jìn)入低靜態(tài)電流關(guān)閉模式（ (I{Q} approx 3 mu A) ）；當(dāng)RUN引腳電壓大于1.2V時(shí)，控制器將啟用。此外，RUN引腳還可以配置為對(duì) (V{IN}) 電源的精確欠壓鎖定（UVLO），通過使用HYST引腳可以增加額外的遲滯。

軟啟動(dòng)

內(nèi)部0.75ms軟啟動(dòng)功能通過將有效參考電壓從0V斜坡升至0.8V，以及將峰值電流限制從10mA斜坡升至由I (SET) 引腳設(shè)定的值，來限制啟動(dòng)時(shí)輸出電壓的斜坡率。通過在SS引腳和地之間連接一個(gè)電容，可以增加參考電壓軟啟動(dòng)的持續(xù)時(shí)間；在 (I_{SET}) 引腳和地之間連接一個(gè)電容，可以增加0.75ms內(nèi)部峰值電流軟啟動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。

效率考慮

開關(guān)穩(wěn)壓器的效率等于輸出功率除以輸入功率再乘以100%。通常， (V{IN }) 工作電流和 (I^{2} R) 損耗是導(dǎo)致效率損失的主要原因。在極低負(fù)載電流下， (V{IN }) 工作電流主導(dǎo)效率損失；在中高負(fù)載電流下， (I^{2} R) 損耗則成為主要因素。

熱考慮

由于LTC3632具有高效率和低峰值電流水平，因此其散熱較少。即使在最壞的情況下（高環(huán)境溫度、最大峰值電流和高占空比），結(jié)溫也僅比環(huán)境溫度高幾度。

設(shè)計(jì)示例

假設(shè)我們要設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用，要求 (V{IN }=24 ~V)， (V{OUT }=3.3 ~V)， (I_{OUT }=20 ~mA)， (f=250 kHz)，并且開關(guān)應(yīng)在 (VIN) 大于12V時(shí)啟動(dòng)，在 (VIN) 小于8V時(shí)停止。

電感選擇

首先，計(jì)算滿足所需開關(guān)頻率的電感值： [L=left(frac{3.3 V}{250 kHz cdot 50 mA}right) cdotleft(1-frac{3.3 V}{24 V}right) cong 220 mu H] 然后，驗(yàn)證該值是否滿足 (L{MIN}) 要求： [L{MIN}=frac{24 V cdot 100 ns}{50 mA} cong 48 mu H] 由于220μH大于 (L_{MIN})，因此可以使用該電感值。

電容選擇

對(duì)于 (C{IN})，其電流額定值應(yīng)至少為： [RMS=20 mA cdot frac{3.3 V}{24 V} cdot sqrt{frac{24 V}{3.3 V}-1} cong 7 mA{RMS}] 考慮到LTC3632的低峰值電流，使用1μF的電容對(duì) (VIN) 電源進(jìn)行去耦通常就足夠了。

對(duì)于 (C{OUT })，根據(jù)無負(fù)載時(shí)1%（33mV）的輸出電壓紋波要求，可以計(jì)算出所需的電容值： [C{OUT }=frac{50 mA cdot 4 cdot 10^{-6}}{2left(33 mV-frac{3.3 V}{160}right)}] 選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值為10μF的電容。

輸出電壓編程

選擇 (R 2=240 k)，計(jì)算 (R 1) 的值： [R 1=left(frac{V_{OUT }}{0.8 V}-1right) cdot R 2=750 k]

欠壓鎖定

通過從 (VIN) 到RUN和HYST引腳的電阻分壓器來滿足 (VIN) 的欠壓鎖定要求。選擇 (R 1=2 M)，計(jì)算 (R 2) 和 (R 3) 的值： [R 2=left(frac{1.21 V}{V{I N(RISING)}-1.21 V}right) cdot R 1=224 k] [R 3=left(frac{1.1 V}{V{I N(F A L L I N G)}-1.1 V}right) cdot R 1-R 2=90.8 k] 選擇標(biāo)準(zhǔn)值 (R 2=226 k) 和 (R 3=91 k)。在這個(gè)例子中，ISET引腳應(yīng)保持開路以選擇最大峰值電流（50mA）。

典型應(yīng)用電路

文檔中還給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，包括5V、20mA降壓轉(zhuǎn)換器、3.3V、20mA帶峰值電流軟啟動(dòng)的調(diào)節(jié)器、正負(fù)轉(zhuǎn)換器、小尺寸4mA調(diào)節(jié)器以及高效15V、4mA調(diào)節(jié)器等。這些應(yīng)用電路為工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供了參考和指導(dǎo)。

封裝與引腳功能

LTC3632提供兩種封裝形式：8引腳塑料DFN（3mm × 3mm）和8引腳塑料MSOP（帶外露裸片焊盤）。每個(gè)引腳都有其特定的功能，如SW引腳用于連接電感， (V_{IN }) 引腳為主電源引腳，ISET引腳用于設(shè)置峰值電流，SS引腳用于軟啟動(dòng)控制等。在進(jìn)行電路板布局時(shí)，需要注意引腳的連接和布局，以確保芯片的正常工作。

總結(jié)

LTC3632是一款性能卓越的高效高壓同步降壓轉(zhuǎn)換器，具有寬輸入電壓范圍、低靜態(tài)電流、高效率、無需補(bǔ)償?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn)。其豐富的特性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域使其成為電子工程師在電源管理設(shè)計(jì)中的理想選擇。通過合理選擇外部組件和優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠充分發(fā)揮LTC3632的性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源解決方案。你在使用LTC3632或類似電源管理芯片時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。