LTM4619：高性能雙路DC/DC μModule穩(wěn)壓器的深度剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和可靠性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來深入探討一款非常出色的電源模塊——LTM4619雙路、26V輸入、4A DC/DC μModule穩(wěn)壓器。

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一、產(chǎn)品概述

LTM4619是一款完整的雙路4A或單路8A降壓式DC/DC μModule穩(wěn)壓器。它將開關(guān)控制器、功率FET、電感器以及所有支持組件都集成在一個(gè)封裝內(nèi)，形成了一個(gè)完整的獨(dú)立電源。這種高度集成的設(shè)計(jì)大大簡化了電源設(shè)計(jì)過程，減少了外部元件的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1.1 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：支持4.5V至26.5V的輸入電壓范圍，并且在輸入電壓 (V{IN} ≤5.5V) 時(shí)，還可使用 (EXTV{CC}) 引腳。
• 雙路輸出：提供兩個(gè)輸出通道，輸出電壓范圍為0.8V至5V，每個(gè)通道可通過單個(gè)外部電阻進(jìn)行設(shè)置。每個(gè)輸出通道可提供4A的連續(xù)電流（5A峰值）。
• 高效設(shè)計(jì)：采用高效設(shè)計(jì)，能夠在不同負(fù)載條件下保持較高的效率，降低功耗。
• 快速瞬態(tài)響應(yīng)：高開關(guān)頻率和電流模式架構(gòu)使其能夠?qū)€路和負(fù)載變化做出非?？焖俚乃矐B(tài)響應(yīng)，同時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 輸出電壓跟蹤：支持輸出電壓跟蹤功能，可用于電源軌排序。
• 多種工作模式：可選擇突發(fā)模式（Burst Mode）或脈沖跳躍模式進(jìn)行輕載操作，以提高輕載效率。
• 故障保護(hù)：具備過壓保護(hù)、過流保護(hù)和折返電流限制等故障保護(hù)功能，確保系統(tǒng)在異常情況下的安全性。

1.2 典型應(yīng)用

LTM4619適用于多種應(yīng)用場景，如電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、存儲(chǔ)卡、ATCA卡、工業(yè)設(shè)備以及負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)等。其低矮的封裝（2.82mm）允許在PCB板底部的閑置空間中使用，實(shí)現(xiàn)高密度負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)。

二、電氣特性分析

2.1 輸入特性

• 輸入直流電壓：輸入直流電壓范圍為4.5V至26.5V，當(dāng) (V{IN} ≤5.5V) 時(shí)，需將 (V{IN}) 和 (INTV_{CC}) 連接在一起。
• 欠壓鎖定閾值：上升閾值為2.00V至2.35V，下降閾值為1.85V至2.15V。
• 輸入浪涌電流：啟動(dòng)時(shí)的輸入浪涌電流在特定條件下最大為0.25A。
• 輸入電源偏置電流：在不同輸入電壓和輸出條件下，輸入電源偏置電流有所不同，關(guān)機(jī)狀態(tài)下電流極低。

2.2 輸出特性

• 輸出電壓范圍：輸出電壓范圍為0.8V至5.0V，可通過外部電阻進(jìn)行精確設(shè)置。
• 輸出連續(xù)電流范圍：每個(gè)輸出通道的連續(xù)電流范圍為0A至4A。
• 線路調(diào)節(jié)精度：在輸入電壓從6V至26.5V變化時(shí)，輸出電壓的線路調(diào)節(jié)精度在±0.15%至±0.5%之間。
• 負(fù)載調(diào)節(jié)精度：在負(fù)載電流從0A至4A變化時(shí)，輸出電壓的負(fù)載調(diào)節(jié)精度在±0.6%至±0.8%之間。
• 輸出紋波電壓：輸出紋波電壓在不同輸入電壓和負(fù)載條件下有所不同，典型值為20mV至25mV。

2.3 控制特性

• 開關(guān)頻率：開關(guān)頻率可在250kHz至780kHz之間進(jìn)行選擇，典型頻率為780kHz。
• 軟啟動(dòng)充電電流：軟啟動(dòng)充電電流為0.9μA至1.7μA。
• 最大占空比：最大占空比為97%。
• 最小導(dǎo)通時(shí)間：最小導(dǎo)通時(shí)間為90ns。

三、引腳功能詳解

LTM4619共有多個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能，下面我們來詳細(xì)介紹一些重要引腳的功能。

3.1 FREQ/PLLFLTR（J8）

頻率選擇引腳。內(nèi)部有一個(gè)低通濾波器連接到該引腳，通過改變?cè)撘_上的直流電壓（從0V到2.4V），可以選擇250kHz至780kHz的開關(guān)頻率，標(biāo)稱頻率設(shè)置為500kHz。

3.2 (V_{IN})（J1 - J3，J10 - J12，K1 - K4，K9 - K12，L1 - L5，L8 - L12，M1 - M12）

電源輸入引腳。在這些引腳和PGND引腳之間施加輸入電壓，建議在 (V{IN}) 引腳和PGND引腳之間直接放置輸入去耦電容。當(dāng) (V{IN}<5.5V) 時(shí)，需將 (V{IN}) 和 (INTV{CC}) 連接在一起。

3.3 (V{OUT1})，(V{OUT2})（A10 - D10，A11 - D11，A12 - D12，A1 - D1，A2 - D2，A3 - D3）

電源輸出引腳。在這些引腳和PGND引腳之間施加輸出負(fù)載，建議在 (V_{OUT}) 引腳和PGND引腳之間直接放置輸出去耦電容。

3.4 PGND（H1，H2，H4，H9，H11，H12，G1 - G12，F(xiàn)1 - F5，F(xiàn)7 - F12，E1 - E12，D4 - D9，C4 - C9，B4 - B9，A4 - A9）

電源接地引腳，用于輸入和輸出回路的接地。

3.5 (INTV_{CC})（F6）

內(nèi)部5V穩(wěn)壓器輸出引腳，用于對(duì)內(nèi)部5V穩(wěn)壓器進(jìn)行額外的去耦。

3.6 TK/SS1，TK/SS2（K8，K5）

輸出電壓跟蹤和軟啟動(dòng)引腳。內(nèi)部1.3μA的軟啟動(dòng)電流對(duì)軟啟動(dòng)電容進(jìn)行充電，可用于編程輸出電壓斜坡和啟動(dòng)時(shí)的電壓跟蹤。

3.7 (V{FB1})，(V{FB2})（K7，K6）

誤差放大器的負(fù)輸入端。內(nèi)部通過一個(gè)60.4k的精密電阻連接到 (V{OUT})，通過在 (V{FB}) 和SGND引腳之間添加一個(gè)額外的電阻，可以對(duì)不同的輸出電壓進(jìn)行編程。

3.8 EXTVCC（J4）

控制器的外部電源輸入引腳。當(dāng) (EXTV_{CC}) 高于4.7V時(shí)，內(nèi)部5V穩(wěn)壓器將被禁用，外部電源為模塊供電，以降低模塊的功耗，提高在高輸入電壓下的效率。

3.9 SGND（J6，J7，H6，H7）

信號(hào)接地引腳，是所有模擬和低功率電路的返回接地路徑，在應(yīng)用中需與PGND單點(diǎn)連接。

3.10 MODE/PLLIN（H8）

模式選擇或外部同步引腳。將該引腳拉高可啟用脈沖跳躍模式，拉低可啟用強(qiáng)制連續(xù)工作模式，浮空則啟用突發(fā)模式。該引腳還可接受外部時(shí)鐘輸入，使控制器進(jìn)入連續(xù)工作模式并同步內(nèi)部振蕩器。

3.11 PGOOD（H5）

輸出電壓良好指示引腳。當(dāng)輸出電壓不在調(diào)節(jié)點(diǎn)的±7.5%范圍內(nèi)時(shí)，該引腳為低電平，否則為高阻態(tài)。

3.12 RUN1，RUN2（J9，J5）

運(yùn)行控制引腳。當(dāng)引腳浮空時(shí)，內(nèi)部0.5μA的上拉電流可開啟模塊，將任一引腳拉低至1.2V以下將關(guān)閉相應(yīng)的輸出。引腳電壓高于1.2V時(shí)，會(huì)增加一個(gè)4.5μA的上拉電流。

3.13 SW1，SW2（H10，H3）

開關(guān)測試引腳，用于外部檢查工作頻率。

四、應(yīng)用信息探討

4.1 輸出電壓編程

PWM控制器內(nèi)部有一個(gè)0.8V的參考電壓，通過一個(gè)60.4k的內(nèi)部反饋電阻 (R{FB}) 將 (V{OUT}) 連接到 (V{FB}) 引腳。當(dāng)沒有反饋電阻時(shí)，輸出電壓默認(rèn)為0.8V。通過在 (V{FB}) 引腳和SGND之間添加一個(gè)電阻 (R{SET})，可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行編程，計(jì)算公式為： [V{OUT }=0.8 V cdot frac{60.4 k+R{SET }}{R{SET }}] 或 [R{SET}=frac{60.4 k}{left(frac{V{OUT }}{0.8 V}-1right)}]

4.2 輸入電容選擇

LTM4619模塊應(yīng)連接到低交流阻抗的直流電源。模塊內(nèi)部包含兩個(gè)1.5μF的輸入陶瓷電容，但如果需要較大的負(fù)載電流（最高4A），則需要額外的輸入電容?？墒褂?7μF至100μF的表面貼裝鋁電解電容來提供更大的輸入大容量電容。對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，開關(guān)占空比可估算為 (D=frac{V{OUT }}{V{IN }})，在不考慮電感紋波電流的情況下，每個(gè)輸出的輸入電容的RMS電流可估算為 (C{IN(RMS)}=frac{I{OUT(MAX) }}{eta} cdot sqrt{D cdot(1-D)})，其中η為電源模塊的估算效率。

4.3 輸出電容選擇

LTM4619設(shè)計(jì)用于低輸出電壓紋波噪聲，輸出大容量電容 (C{OUT}) 應(yīng)選擇具有足夠低的有效串聯(lián)電阻（ESR）的電容，以滿足輸出電壓紋波和瞬態(tài)要求。(C{OUT}) 可以是低ESR鉭電容、低ESR聚合物電容或陶瓷電容，每個(gè)輸出的典型輸出電容范圍為47μF至220μF。如果系統(tǒng)需要進(jìn)一步降低輸出紋波或動(dòng)態(tài)瞬態(tài)尖峰，可使用LTpowerCAD進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

4.4 模式選擇和鎖相環(huán)

LTM4619可進(jìn)入高效突發(fā)模式、固定頻率脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。通過將MODE/PLLIN引腳連接到不同的電壓，可以選擇不同的工作模式。此外，該模塊還支持通過鎖相環(huán)將內(nèi)部時(shí)鐘同步到外部時(shí)鐘源，外部時(shí)鐘的高電平需高于1.6V，低電平需低于1V。

4.5 軟啟動(dòng)和跟蹤

LTM4619具有軟啟動(dòng)和輸出電壓跟蹤功能。當(dāng)一個(gè)通道配置為軟啟動(dòng)時(shí)，需在其TK/SS引腳連接一個(gè)電容。在啟動(dòng)過程中，1.3μA的軟啟動(dòng)電流對(duì)電容充電，控制輸出電壓斜坡。輸出電壓跟蹤可通過TK/SS引腳進(jìn)行外部編程，實(shí)現(xiàn)主通道和從通道的同步跟蹤。

4.6 多相操作

多個(gè)LTM4619設(shè)備并聯(lián)進(jìn)行多相操作可以降低有效輸入RMS紋波電流和輸出紋波電流。通過查看相關(guān)圖表，可根據(jù)占空比和并聯(lián)相數(shù)選擇合適的紋波電流值。多相操作時(shí)，輸出紋波電壓可通過公式 (Delta V{OUT(P-P) } approx Delta I{L} /left(8 cdot f cdot N cdot C{OUT }right)+ESR cdot Delta I{L}) 進(jìn)行計(jì)算，其中f為頻率，N為并聯(lián)相數(shù)。

4.7 熱考慮和輸出電流降額

數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供了一些熱阻參數(shù)，如 (theta{JA})（結(jié)到環(huán)境的熱阻）、(theta{JCbottom})（結(jié)到產(chǎn)品底部的熱阻）、(theta{JCtop})（結(jié)到產(chǎn)品頂部的熱阻）和 (theta{JB})（結(jié)到印刷電路板的熱阻）。這些參數(shù)可用于有限元分析（FEA）軟件建模，但在實(shí)際應(yīng)用中，可利用數(shù)據(jù)手冊(cè)中的降額曲線來預(yù)測模塊在不同電氣和環(huán)境條件下的熱性能。

4.8 安全考慮

LTM4619模塊不提供 (V{IN}) 到 (V{OUT}) 的電氣隔離，內(nèi)部也沒有保險(xiǎn)絲。如果需要，應(yīng)提供一個(gè)額定電流為最大輸入電流兩倍的慢熔保險(xiǎn)絲，以保護(hù)每個(gè)單元免受災(zāi)難性故障的影響。

4.9 布局注意事項(xiàng)

為了優(yōu)化LTM4619的電氣和熱性能，在PCB布局時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

• 使用大面積的PCB銅區(qū)域用于高電流路徑，包括 (V{IN})、PGND、(V{OUT1}) 和 (V_{OUT2})，以減少PCB傳導(dǎo)損耗和熱應(yīng)力。
• 在 (V{IN})、PGND和 (V{OUT}) 引腳附近放置高頻陶瓷輸入和輸出電容，以減少高頻噪聲。
• 在單元下方放置一個(gè)專用的電源接地層。
• 使用多個(gè)過孔進(jìn)行頂層和其他電源層之間的互連，以減少過孔傳導(dǎo)損耗和模塊熱應(yīng)力。
• 避免在焊盤上直接放置過孔。
• 為連接到信號(hào)引腳的組件使用單獨(dú)的SGND接地銅區(qū)域，并將SGND在單元下方連接到PGND。
• 對(duì)輸入和輸出接地進(jìn)行去耦，以降低輸出紋波噪聲。

五、總結(jié)

LTM4619作為一款高性能的雙路DC/DC μModule穩(wěn)壓器，具有寬輸入電壓范圍、高效、快速瞬態(tài)響應(yīng)、多種工作模式和完善的故障保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。通過合理選擇外部元件、優(yōu)化PCB布局和正確配置工作模式，可以充分發(fā)揮其性能，滿足各種應(yīng)用場景的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求，仔細(xì)考慮各個(gè)參數(shù)和特性，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，對(duì)于熱性能和電磁兼容性等方面也需要進(jìn)行充分的分析和優(yōu)化，以提高整個(gè)系統(tǒng)的性能和質(zhì)量。你在使用LTM4619或其他類似電源模塊時(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)和想法。