LTC1436A/LTC1437A：高性能同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器解析與應(yīng)用指南

在開關(guān)穩(wěn)壓器領(lǐng)域，LTC1436A/LTC1437A以其卓越的性能脫穎而出，被廣泛應(yīng)用于眾多電子設(shè)備中。本文將對LTC1436A/LTC1437A進(jìn)行全面解析，并詳細(xì)介紹其應(yīng)用要點(diǎn)。

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1. 產(chǎn)品概述

LTC1436A/LTC1437A是同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，能夠驅(qū)動外部N溝道功率MOSFET，采用可鎖相的固定頻率架構(gòu)。其自適應(yīng)功率輸出級可在高達(dá)400kHz頻率下選擇性驅(qū)動兩個(gè)N溝道MOSFET，減少開關(guān)損耗，在低輸出電流時(shí)仍能保持高效率。

2. 關(guān)鍵特性

2.1 頻率特性

• 恒定頻率：在低輸出電流時(shí)仍能保持恒定頻率，且頻率可編程，支持PLL鎖相功能。通過外部振蕩器電容 (C{OSC}) 可確定工作頻率，公式為 (f{OSC}(kHz)=left(frac{8.4left(10^{8}right)}{COSC(pF)+11}right)left(frac{1}{I{CHG}}+frac{1}{I{DIS}}right)^{-1}) 。
• 頻率范圍：振蕩器頻率VCO高時(shí)，不同條件下頻率有所不同，如 (C{OSC}=100pF) ，(V{PLLLPF}=0V) 時(shí)，頻率范圍在112 - 138kHz。

2.2 輸入輸出特性

• 寬輸入電壓范圍：支持3.5V至36V的輸入電壓，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 低導(dǎo)通時(shí)間：最小導(dǎo)通時(shí)間 ≤300ns，適用于高頻、低占空比應(yīng)用。
• 低dropout：能實(shí)現(xiàn)99%的占空比，非常適合對電壓要求嚴(yán)格的場景。
• 輸出電壓：輸出電壓范圍為1.19V至9V，可通過引腳選擇，如 (V{PROG}=0V) 時(shí) (V{OUT}=3.3V) ，(V{PROG}=INTV{CC}) 時(shí) (V{OUT}=5V) ，(V{PROG}) 開路（DC）時(shí)輸出電壓可調(diào)。

2.3 其他特性

• 內(nèi)置功能：具備內(nèi)置的電源復(fù)位定時(shí)器、可編程軟啟動、低電池檢測器、遠(yuǎn)程輸出電壓檢測、折返電流限制（可選）等功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
• 低功耗：邏輯控制的微功耗關(guān)斷模式下，(I_{0}<25 mu A) ，有效降低功耗。
• 多種封裝形式：提供24引腳窄SSOP和28引腳SSOP封裝，方便不同應(yīng)用需求。

3. 工作原理

3.1 主控制環(huán)路

采用恒定頻率、電流模式降壓架構(gòu)。在正常工作時(shí)，振蕩器置位RS觸發(fā)器使頂部MOSFET導(dǎo)通，主電流比較器I1復(fù)位RS觸發(fā)器使頂部MOSFET關(guān)斷，峰值電感電流由ITH引腳電壓控制。底部MOSFET在頂部MOSFET關(guān)斷時(shí)導(dǎo)通，直到電感電流開始反向或下一周期開始。當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，電路可能進(jìn)入dropout狀態(tài)，此時(shí)dropout檢測器會周期性強(qiáng)制頂部MOSFET短暫關(guān)斷以對自舉電容 (C_{B}) 充電。

3.2 低電流操作

具有自適應(yīng)功率模式，可根據(jù)負(fù)載電流自動切換輸出級。TGL和BG引腳驅(qū)動大尺寸同步N溝道MOSFET用于高電流操作，TGS引腳驅(qū)動小尺寸N溝道MOSFET用于低電流操作。若TGS引腳開路，電路將默認(rèn)進(jìn)入Burst Mode操作。

3.3 頻率同步

LTC1436A - PLL和LTC1437A具備鎖相環(huán)（PLL），可使振蕩器與連接到PLLIN引腳的外部源同步。鎖相環(huán)鎖定時(shí)，頂部MOSFET的導(dǎo)通與同步信號的上升沿對齊。

3.4 上電復(fù)位

POR引腳為開漏輸出，當(dāng)主穩(wěn)壓器輸出電壓超出調(diào)節(jié)范圍時(shí)拉低，輸出電壓上升到調(diào)節(jié)值的 ±7.5% 內(nèi)時(shí)，啟動定時(shí)器，經(jīng)65536個(gè)振蕩器周期后釋放。

3.5 輔助線性穩(wěn)壓器

可控制外部PNP晶體管，輸出電流可達(dá)500mA。當(dāng)AUXDR引腳電壓高于9.5V時(shí)，啟用內(nèi)部12V電阻分壓器，便于實(shí)現(xiàn)12V VPP電源。

4. 應(yīng)用信息

4.1 外部組件選擇

• (R_{SENSE}) 選擇：根據(jù)所需輸出電流選擇 (R{SENSE}) ，公式為 (R{SENSE}=frac{100 mV}{I{MAX}}) ，且 (R{SENSE }) 取值 (≥0.005 Omega) 。
• (C_{OSC}) 選擇：根據(jù)所需工作頻率計(jì)算 (C{OSC}) 值，假設(shè)鎖相環(huán)無外部振蕩器輸入（ (V{PLLLPF }=0 ~V) ），公式為 (C_{O S C}(p F)=left[frac{1.37left(10^{4}right)}{ Frequency (kHz)}right]-11) 。
• 電感值計(jì)算：電感值與工作頻率和紋波電流相關(guān)，計(jì)算公式為 (Delta I{L}=frac{1}{(f)(L)} V{OUT }left(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)) 。同時(shí)，需考慮最小導(dǎo)通時(shí)間對電感值的限制。
• 功率MOSFET和D1選擇：需選擇三個(gè)外部功率MOSFET，包括一對頂部N溝道MOSFET和一個(gè)底部同步N溝道MOSFET。選擇時(shí)需考慮 (R{DS(ON)}) 、(C{RSS}) 、輸入電壓和最大輸出電流等因素。肖特基二極管D1在連續(xù)同步操作和低電流操作中都有重要作用。
• (C{IN }) 和 (C{OUT }) 選擇：(C{IN }) 需根據(jù)最大RMS電流選擇，公式為 (C{IN } Required I{RMS } approx I{MAX } frac{left[V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)right]^{1 / 2}}{V{IN }}) ；(C{OUT }) 選擇主要考慮有效串聯(lián)電阻（ESR），輸出紋波公式為 (Delta V{OUT } approx Delta I{L}left(ESR+frac{1}{4 fC{OUT }}right)) 。

4.2 電源相關(guān)

• (INTV _{CC}) 調(diào)節(jié)器：內(nèi)部P溝道低壓差穩(wěn)壓器產(chǎn)生5V電源，為驅(qū)動器和內(nèi)部電路供電。(INTV CC) 引腳可提供高達(dá)15mA電流，需用至少2.2μF鉭或低ESR電解電容旁路到地。
• (EXTV _{CC}) 連接：當(dāng) (EXTV CC) 引腳電壓高于4.8V時(shí)，內(nèi)部開關(guān)閉合為 (INTV CC) 供電，低于4.5V時(shí)開關(guān)斷開。(EXTV _{CC}) 有四種連接方式，不同連接方式對效率有不同影響。

4.3 其他要點(diǎn)

• 頂部MOSFET驅(qū)動器電源：外部自舉電容 (C_{B}) 連接到Boost引腳為頂部MOSFET提供柵極驅(qū)動電壓，其值需為頂部MOSFET總輸入電容的100倍以上，通常0.1μF即可。
• 輸出電壓編程：通過VPROG引腳選擇輸出電壓，同時(shí)該系列產(chǎn)品具有遠(yuǎn)程輸出電壓檢測功能。
• 上電復(fù)位功能：監(jiān)控輸出電壓，超出調(diào)節(jié)范圍時(shí)開啟開漏器件，外部需接下拉電阻。
• 運(yùn)行/軟啟動功能：RUN/SS引腳兼具軟啟動和關(guān)斷功能，通過內(nèi)部3μA電流源對外部電容 (C_{SS}) 充電實(shí)現(xiàn)軟啟動。
• 折返電流限制：在輸出短路時(shí)，通過在輸出和 (I{TH}) 引腳之間添加二極管 (D{FB}) 實(shí)現(xiàn)折返電流限制，降低故障時(shí)的電流。
• 鎖相環(huán)和頻率同步：鎖相環(huán)可使頂部MOSFET導(dǎo)通與外部源同步，通過調(diào)節(jié)PLL LPF引腳電壓可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。
• 低電池比較器：用于檢測低電池狀態(tài)，通過電阻分壓器設(shè)置比較器觸發(fā)點(diǎn)。
• SFB引腳操作：SFB引腳低于1.19V時(shí)強(qiáng)制連續(xù)模式操作，還可用于調(diào)節(jié)反激繞組輸出。
• 輔助調(diào)節(jié)器/比較器：可作為比較器或低壓差穩(wěn)壓器使用，通過AUXON引腳控制開關(guān)，AUXDR引腳為開漏輸出，需外接上拉電阻。
• 最小導(dǎo)通時(shí)間考慮：最小導(dǎo)通時(shí)間受內(nèi)部定時(shí)延遲和頂部MOSFET柵極電荷影響，低占空比應(yīng)用需選擇合適的電感值以滿足最小導(dǎo)通時(shí)間要求。
• 效率考慮：效率主要受 (V{IN }) 電流、(INTV {CC}) 電流、(I^{2} R) 損耗和頂部MOSFET過渡損耗影響。
• 瞬態(tài)響應(yīng)檢查：通過負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)檢查調(diào)節(jié)器環(huán)路響應(yīng)，負(fù)載階躍時(shí) (Vout) 會發(fā)生偏移，可監(jiān)控 (Vout) 是否存在過沖或振鈴以判斷穩(wěn)定性。
• 汽車應(yīng)用注意事項(xiàng)：在汽車應(yīng)用中，需使用串聯(lián)二極管和瞬態(tài)抑制器保護(hù)DC/DC轉(zhuǎn)換器免受電池線路瞬態(tài)影響。

5. 設(shè)計(jì)示例

假設(shè) (V{IN }=12 ~V) （標(biāo)稱），(V{IN}=22V) （最大），(V{OUT }=1.6 ~V) ，(I{MAX }=3 ~A) 和 (f=250 kHz) ：

• 計(jì)算 (C{OSC}) ：(C{O S C}=left(frac{1.37left(10^{4}right)}{250}right)-11=43 pF)
• 計(jì)算 (R{SENSE}) ：(R{SENSE}=frac{100 mV}{3 A}=0.033 Omega)
• 選擇電感：參考圖表選擇4.7μH電感，計(jì)算最大輸入電壓下的紋波電流和導(dǎo)通時(shí)間，判斷最小導(dǎo)通時(shí)間是否足夠。
• 估算功率損耗：估算頂部MOSFET和同步N溝道MOSFET的功率損耗。
• 選擇電容：(C{IN }) 選擇RMS電流額定值至少為1.5A的電容，(C{OUT }) 選擇ESR為0.03Ω的電容以降低輸出紋波。

6. PCB布局檢查清單

• 信號和功率地分離，信號地返回 (C{OUT }) 的負(fù)極，功率地連接底部N溝道MOSFET源極、肖特基二極管陽極和 (C{IN}) 的負(fù)極。
• (VOSENSE) 引腳連接 (C_{OUT }) 的正極，可調(diào)應(yīng)用中電阻分壓器需正確連接。
• (SENSE) 和 (SENSE +) 引線應(yīng)一起布線，且濾波電容應(yīng)靠近芯片。
• (C_{IN}) 的正極應(yīng)盡可能靠近頂部MOSFET的漏極。
• (INTV CC) 去耦電容應(yīng)緊密連接在 (INTV CC) 和功率地引腳之間。
• 開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW應(yīng)遠(yuǎn)離敏感小信號節(jié)點(diǎn)。
• PLLIN線應(yīng)遠(yuǎn)離Boost和SW引腳。
• SGND應(yīng)專門用于接地外部組件。
• 接近最小導(dǎo)通時(shí)間限制時(shí)，感測電阻應(yīng)沿電感徑向軸方向放置。

7. 典型應(yīng)用

• Intel移動CPU VID核心電源轉(zhuǎn)換器：為核心提供穩(wěn)定電源，并提供1.8V I/O電源。
• 固定輸出和輔助輸出應(yīng)用：如3.3V/4A固定輸出搭配5V或12V輔助輸出，滿足不同設(shè)備的電源需求。
• 可調(diào)輸出應(yīng)用：具備折返電流限制功能和輔助輸出，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

8. 相關(guān)產(chǎn)品

文中還列出了一系列相關(guān)產(chǎn)品，如LTC1142HV/LTC1142、LTC1148HV/LTC1148等，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

LTC1436A/LTC1437A憑借其豐富的特性和卓越的性能，為電子工程師在設(shè)計(jì)電源管理電路時(shí)提供了一個(gè)強(qiáng)大且可靠的選擇。通過合理選擇外部組件和優(yōu)化PCB布局，能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，滿足各種復(fù)雜應(yīng)用的需求。你在使用LTC1436A/LTC1437A過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享。