LTM8022：小身材大能量的DC/DC電源模塊

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和可靠性至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下Linear Technology公司的LTM8022，一款功能強(qiáng)大的1A、36V DC/DC μModule。

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一、LTM8022簡介

LTM8022是一款完整的1A、DC/DC降壓電源，它將開關(guān)控制器、功率開關(guān)、電感器和所有支持組件都集成在一個(gè)封裝內(nèi)。其輸入電壓范圍為3.6V至36V，輸出電壓范圍為0.8V至10V，開關(guān)頻率范圍為200kHz至2.4MHz，每個(gè)參數(shù)都可以通過單個(gè)電阻進(jìn)行設(shè)置。只需要添加輸入和輸出濾波電容，就能完成設(shè)計(jì)。

1.1 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：3.6V至36V的輸入電壓范圍，使其能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 靈活的輸出電壓：0.8V至10V的輸出電壓，滿足不同負(fù)載的需求。
• 高效的電流輸出：能夠提供1A的輸出電流，滿足大多數(shù)應(yīng)用的功率要求。
• 可調(diào)節(jié)開關(guān)頻率：200kHz至2.4MHz的可調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，方便工程師根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行優(yōu)化。
• 電流模式控制：采用電流模式控制，提高了電源的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。
• RoHS合規(guī)封裝：采用帶有金焊盤的RoHS合規(guī)封裝，確保環(huán)保和可靠性。
• 可編程軟啟動(dòng)：支持可編程軟啟動(dòng)，減少啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。
• 小巧輕薄：采用11.25mm × 9mm × 2.82mm的低剖面表面貼裝LGA封裝，節(jié)省電路板空間。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

• 汽車電池調(diào)節(jié)：在汽車電子系統(tǒng)中，為各種設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。
• 便攜式產(chǎn)品電源：適用于手機(jī)、平板電腦等便攜式設(shè)備。
• 分布式電源調(diào)節(jié)：在分布式電源系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)電源的高效分配。
• 工業(yè)電源：為工業(yè)設(shè)備提供可靠的電源支持。
• 墻式變壓器調(diào)節(jié)：用于墻式變壓器的電源調(diào)節(jié)。

二、電氣特性

2.1 輸入輸出參數(shù)

• 輸入電壓：3.6V至36V的輸入電壓范圍，確保了電源的通用性。
• 輸出電壓：在不同負(fù)載條件下，輸出電壓能夠穩(wěn)定在0.8V至10V之間。
• 輸出電流：最大連續(xù)輸出電流為1A，滿足大多數(shù)負(fù)載的需求。

2.2 靜態(tài)電流

在不同的工作模式下，LTM8022的靜態(tài)電流表現(xiàn)良好。例如，在非開關(guān)狀態(tài)下，VIN靜態(tài)電流在不同溫度等級下分別為0.1μA至85μA不等，BIAS靜態(tài)電流為0.03μA至5μA不等。

2.3 電壓調(diào)節(jié)

• 線性調(diào)節(jié)：在3.6V至36V的輸入電壓范圍內(nèi)，輸出電壓的線性調(diào)節(jié)率小于0.1%。
• 負(fù)載調(diào)節(jié)：在0V至1A的負(fù)載電流變化范圍內(nèi)，輸出電壓的負(fù)載調(diào)節(jié)率小于0.4%。

2.4 輸出紋波

在特定的工作條件下，輸出紋波（RMS）小于10mV，確保了電源的穩(wěn)定性。

2.5 開關(guān)頻率

通過連接不同阻值的電阻到RT引腳，可以設(shè)置開關(guān)頻率。例如，當(dāng)RT = 113kΩ時(shí)，開關(guān)頻率為325kHz。

三、引腳功能

3.1 VIN（Bank 1）

該引腳為LTM8022的內(nèi)部穩(wěn)壓器和內(nèi)部功率開關(guān)提供電流，必須使用至少2.2μF的外部低ESR電容進(jìn)行本地旁路。

3.2 Vout（Bank 2）

功率輸出引腳，在這些引腳和GND引腳之間連接輸出濾波電容和輸出負(fù)載。

3.3 AUX（Pin F5）

為BIAS提供低電流電壓源，在許多設(shè)計(jì)中，BIAS引腳直接連接到VOUT。該引腳內(nèi)部連接到VOUT，與BIAS引腳相鄰，方便印刷電路板布線。

3.4 BIAS（Pin G5）

連接到內(nèi)部電源總線，需要連接到大于2.4V的電源。如果輸出電壓大于2.4V，則將該引腳連接到輸出；如果輸出電壓較小，則將其連接到2.4V至16V之間的電壓源。同時(shí)，要確保BIAS + VIN小于56V。

3.5 RUN/SS（Pin H5）

將該引腳接地可關(guān)閉LTM8022，連接到2.5V或更高電壓可正常工作。如果不使用關(guān)機(jī)功能，則將該引腳連接到VIN引腳。此外，該引腳還提供軟啟動(dòng)功能。

3.6 GND（Bank 3）

將這些GND引腳連接到LTM8022下方的本地接地平面和電路組件，反饋分壓器（RADJ）也連接到該引腳。

3.7 RT（Pin G7）

通過將電阻從該引腳連接到地，可以對LTM8022的開關(guān)頻率進(jìn)行編程。數(shù)據(jù)手冊的應(yīng)用信息部分提供了根據(jù)所需開關(guān)頻率確定電阻值的表格。

3.8 SHARE（Pin F7）

在并聯(lián)輸出時(shí)，將該引腳連接到另一個(gè)LTM8022的SHARE引腳；否則，讓該引腳浮空。

3.9 SYNC（Pin G6）

外部時(shí)鐘同步輸入。將該引腳接地可在低輸出負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)低紋波Burst Mode?操作，連接到高于0.7V的穩(wěn)定電壓源可禁用Burst Mode操作。不要讓該引腳浮空，可連接到時(shí)鐘源進(jìn)行同步。

3.10 PG（Pin H6）

內(nèi)部比較器的開集輸出。在ADJ引腳達(dá)到最終調(diào)節(jié)電壓的10%之前，PG保持低電平。當(dāng)VIN高于3.6V且RUN/SS為高電平時(shí)，PG輸出有效。如果不使用該功能，讓該引腳浮空。

3.11 ADJ（Pin H7）

LTM8022將其ADJ引腳調(diào)節(jié)到0.79V。將調(diào)節(jié)電阻從該引腳連接到地，RADJ的值由公式RADJ = 394.21 / (VOUT - 0.79)計(jì)算得出，其中RADJ的單位為kΩ。

四、工作原理

4.1 基本架構(gòu)

LTM8022是一個(gè)獨(dú)立的非隔離降壓開關(guān)DC/DC電源，包含電流模式控制器、功率開關(guān)元件、功率電感器、功率肖特基二極管以及適量的輸入和輸出電容。

4.2 開關(guān)頻率設(shè)置

通過將適當(dāng)阻值的電阻從RT引腳連接到GND，可以設(shè)置開關(guān)頻率。

4.3 偏置電源

內(nèi)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BIAS引腳連接到高于2.4V的外部電壓，則偏置電源將從外部源（通常是調(diào)節(jié)后的輸出電壓）獲取，從而提高效率。

4.4 輕載效率優(yōu)化

在輕載情況下，LTM8022會自動(dòng)切換到Burst Mode操作，在脈沖之間，所有與控制輸出開關(guān)相關(guān)的電路都會關(guān)閉，將輸入電源電流降低到典型應(yīng)用中的50μA。當(dāng)ADJ引腳的電壓較低時(shí)，振蕩器會降低LTM8022的工作頻率，這種頻率折返有助于在啟動(dòng)和過載時(shí)控制輸出電流。

4.5 電源良好比較器

LTM8022包含一個(gè)電源良好比較器，當(dāng)ADJ引腳達(dá)到其調(diào)節(jié)值的92%時(shí)觸發(fā)。PG輸出是一個(gè)開集晶體管，當(dāng)輸出處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)關(guān)閉，允許外部電阻將PG引腳拉高。當(dāng)LTM8022啟用且VIN高于3.6V時(shí)，電源良好信號有效。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 組件選擇

在設(shè)計(jì)過程中，首先要根據(jù)所需的輸入電壓范圍和輸出電壓，在表1中找到相應(yīng)的行，然后應(yīng)用推薦的CIN、Cout、RADJ和RT值，并按照指示連接BIAS。如果所需的輸出電壓未在表1中列出，可以通過公式RADJ = 394.21 / (VOUT - 0.79)計(jì)算RADJ的值。

5.2 電容選擇

表1中的CIN和Cout電容值是推薦的最小值，不建議使用低于這些值的電容，否則可能導(dǎo)致不良操作。使用較大的值通常是可以接受的，并且在必要時(shí)可以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。陶瓷電容具有體積小、堅(jiān)固和低ESR的優(yōu)點(diǎn)，但并非所有陶瓷電容都適用，X5R和X7R類型在溫度和電壓變化時(shí)穩(wěn)定可靠，而Y5V和Z5U類型的電容溫度和電壓系數(shù)較大，可能導(dǎo)致輸出電壓紋波過高。此外，陶瓷電容具有壓電特性，在Burst Mode操作時(shí)可能會產(chǎn)生可聽噪聲，如果無法接受這種噪聲，可以在輸出端使用高性能電解電容，輸入端可以使用2.2μF陶瓷電容和低成本電解電容的并聯(lián)組合。

5.3 頻率選擇

LTM8022采用恒定頻率PWM架構(gòu)，可通過將電阻從RT引腳連接到地來編程開關(guān)頻率，范圍為200kHz至2.4MHz。表2提供了RT電阻值和相應(yīng)頻率的列表。在選擇頻率時(shí)，建議使用表1中針對輸入和輸出操作條件給出的最佳RT值。如果選擇不當(dāng)?shù)念l率，可能會導(dǎo)致在某些操作或故障條件下出現(xiàn)不良操作，例如頻率過高可能會降低效率、產(chǎn)生過多熱量甚至損壞LTM8022，頻率過低可能會導(dǎo)致輸出紋波過大或輸出電容過大。

5.4 Burst Mode操作

為了提高輕載效率，LTM8022會自動(dòng)切換到Burst Mode操作，通過將SYNC引腳接地來啟用該模式，將SYNC引腳連接到高于0.7V的穩(wěn)定電壓源可禁用該模式。在Burst Mode操作期間，LTM8022會向輸出電容提供單周期電流脈沖，然后進(jìn)入睡眠期，此時(shí)輸出功率由輸出電容提供給負(fù)載，同時(shí)VIN和BIAS的靜態(tài)電流分別降低到典型的20μA和50μA。

5.5 BIAS引腳考慮

BIAS引腳用于為內(nèi)部功率開關(guān)級提供驅(qū)動(dòng)電源并操作內(nèi)部電路，必須由至少2.4V的電源供電。如果輸出電壓編程為2.4V或更高，則將BIAS引腳連接到AUX；如果VOUT小于2.4V，則將BIAS引腳連接到VIN或其他電壓源。同時(shí)，要確保BIAS引腳的最大電壓小于16V，且VIN + BIAS小于56V。如果BIAS電源來自遠(yuǎn)程或嘈雜的電壓源，可能需要在LTM8022附近添加去耦電容。

5.6 最小輸入電壓

LTM8022是降壓轉(zhuǎn)換器，需要一定的輸入電壓余量來保持輸出穩(wěn)定。在大多數(shù)滿載應(yīng)用中，輸入電壓至少要比所需輸出電壓高1.5V。此外，啟動(dòng)所需的輸入電壓取決于RUN/SS引腳的連接方式。

5.7 負(fù)載共享

可以將兩個(gè)或更多的LTM8022并聯(lián)以產(chǎn)生更高的電流，將所有并聯(lián)的LTM8022的VIN、VOUT和SHARE引腳連接在一起，并根據(jù)需要同步LTM8022以避免拍頻。為了確保并聯(lián)模塊一起啟動(dòng)，可以將RUN/SS引腳連接在一起，如果不連接RUN/SS引腳，則要確保每個(gè)模塊使用相同值的軟啟動(dòng)電容。

5.8 軟啟動(dòng)

可以使用RUN/SS引腳對LTM8022進(jìn)行軟啟動(dòng)，通過在該引腳連接外部RC濾波器來創(chuàng)建電壓斜坡，從而減少啟動(dòng)時(shí)的最大輸入電流。選擇合適的RC時(shí)間常數(shù)可以將啟動(dòng)峰值電流降低到調(diào)節(jié)輸出所需的電流，且不會產(chǎn)生過沖。

5.9 同步

可以通過向SYNC引腳施加250kHz至2MHz的外部時(shí)鐘信號來同步LTM8022的內(nèi)部振蕩器。連接在RT引腳和地之間的電阻應(yīng)選擇為使LTM8022的自由運(yùn)行頻率比預(yù)期的同步頻率低20%。當(dāng)LTM8022同步到外部時(shí)鐘源時(shí)，Burst Mode操作將被禁用，該部件會根據(jù)需要跳過功率開關(guān)周期以保持調(diào)節(jié)。

5.10 短路輸入保護(hù)

在某些系統(tǒng)中，當(dāng)LTM8022的輸入缺失時(shí)，輸出可能會保持高電平，例如在電池充電應(yīng)用或電池備份系統(tǒng)中。如果VIN引腳浮空且RUN/SS引腳保持高電平，則LTM8022的內(nèi)部電路會通過其內(nèi)部功率開關(guān)吸取靜態(tài)電流。如果將RUN/SS引腳接地，內(nèi)部開關(guān)電流將基本降為零。但如果在輸出保持高電平時(shí)將VIN引腳接地，LTM8022內(nèi)部的寄生二極管可能會從輸出通過VIN引腳吸取大電流?？梢允褂靡粋€(gè)輸入二極管來防止短路輸入使連接到輸出的備用電池放電，并保護(hù)電路免受反向輸入的影響。

5.11 PCB布局

雖然LTM8022的高度集成化減輕了PCB布局的難度，但作為一個(gè)開關(guān)電源，仍需要注意布局以最小化EMI并確保正常運(yùn)行。以下是一些布局建議：

• 將RADJ和RT電阻盡可能靠近各自的引腳放置。
• 將CIN電容盡可能靠近LTM8022的VIN和GND連接。
• 將Cout電容盡可能靠近LTM8022的VOUT和GND連接。
• 放置CIN和COUT電容，使它們的接地電流直接相鄰或位于LTM8022下方。
• 將所有GND連接連接到頂層盡可能大的銅澆鑄或平面區(qū)域，避免斷開外部組件和LTM8022之間的接地連接。
• 使用過孔將GND銅區(qū)域連接到電路板的內(nèi)部接地平面，并廣泛分布這些GND過孔，以提供良好的接地連接和熱路徑到印刷電路板的內(nèi)部平面。

5.12 熱插拔安全

陶瓷電容因其小尺寸、堅(jiān)固性和低阻抗而成為LTM8022輸入旁路電容的理想選擇，但如果將LTM8022插入帶電電源，這些電容可能會導(dǎo)致問題。低損耗陶瓷電容與雜散電感串聯(lián)形成欠阻尼諧振電路，可能會使LTM8022的VIN引腳電壓升至標(biāo)稱輸入電壓的兩倍，從而超過其額定值并損壞部件。如果輸入電源控制不佳或用戶將LTM8022插入帶電電源，應(yīng)設(shè)計(jì)輸入網(wǎng)絡(luò)以防止過沖?？梢酝ㄟ^添加帶有串聯(lián)電阻的另一個(gè)電容來阻尼諧振電路，也可以在輸入串聯(lián)一個(gè)0.7Ω的電阻來消除電壓過沖。

5.13 熱考慮

如果LTM8022需要在高環(huán)境溫度下運(yùn)行或提供大量功率，可能需要對其輸出電流進(jìn)行降額。降額量取決于輸入電壓、輸出功率和環(huán)境溫度?？梢詤⒖嫉湫托阅芴匦圆糠值慕殿~曲線，但要注意不同尺寸和層數(shù)的電路板可能會表現(xiàn)出不同的熱行為，因此需要在預(yù)期的系統(tǒng)線路、負(fù)載和環(huán)境條件下驗(yàn)證其正常運(yùn)行。同時(shí)，LTM8022的結(jié)到空氣和結(jié)到電路板的熱阻可以用于估計(jì)其內(nèi)部溫度，但實(shí)際熱阻取決于電路板的設(shè)計(jì)。在布局電路時(shí)，要確保LTM8022有良好的散熱。此外，在高環(huán)境溫度下，內(nèi)部肖特基二極管會有顯著的泄漏電流，從而增加LTM8022的靜態(tài)電流。

六、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，包括0.82V、1.8V、2.5V、3.3V的降壓轉(zhuǎn)換器，以及-5V的正轉(zhuǎn)負(fù)轉(zhuǎn)換器，還有兩個(gè)LTM8022并聯(lián)的應(yīng)用電路。這些電路展示了LTM8022在不同輸出電壓和負(fù)載條件下的應(yīng)用，為工程師提供了參考。

七、總結(jié)

LTM8022是一款功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的DC/DC電源模塊，具有寬輸入電壓范圍、靈活的輸出電壓、高效的電流輸出等優(yōu)點(diǎn)。在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，需要注意組件選擇、電容選擇、頻率選擇、Burst Mode操作、BIAS引腳考慮、最小輸入電壓、負(fù)載共享、軟啟動(dòng)、同步、短路輸入保護(hù)、PCB布局、熱插拔安全和熱考慮等要點(diǎn)，以確保其正常運(yùn)行和性能優(yōu)化。希望本文能為電子工程師在使用LTM8022進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供幫助。你在使用LTM8022的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。