深入解析 LTC3639：高性能同步降壓 DC/DC 調(diào)節(jié)器

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系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。LTC3639 作為一款同步降壓 DC/DC 調(diào)節(jié)器，憑借其出色的性能和豐富的功能，在眾多應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。今天，我們就來深入了解一下這款芯片。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3639 是一款采用內(nèi)部功率開關(guān)的同步降壓 DC/DC 調(diào)節(jié)器，它運(yùn)用了 Burst Mode 控制技術(shù)，將低靜態(tài)電流與高開關(guān)頻率相結(jié)合，從而在寬負(fù)載電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效率。該芯片采用 16 引腳塑料 MSOP 封裝，工作結(jié)溫范圍根據(jù)不同型號有所差異，如 LTC3639E 和 LTC3639I 為 -40°C 至 125°C，LTC3639H 為 -40°C 至 150°C，LTC3639MP 為 -55°C 至 150°C。

二、引腳配置與功能

1. 引腳配置

LTC3639 共有 16 個引腳，包括開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接引腳（SW）、主電源引腳（VIN）、反饋比較器輸出引腳（FBO）、輸出電壓選擇引腳（VPRG2、VPRG1）、接地引腳（GND）、輸出電壓反饋引腳（VFB）、軟啟動控制輸入引腳（SS）、峰值電流設(shè)置輸入引腳（ISET）、過壓鎖定輸入引腳（OVLO）和運(yùn)行控制輸入引腳（RUN）等。

2. 引腳功能

• SW（Pin 1）：連接到電感的開關(guān)節(jié)點(diǎn)，與內(nèi)部功率 MOSFET 開關(guān)的漏極相連。
• VIN（Pin 3）：主電源引腳，需在該引腳與 GND 之間連接陶瓷旁路電容。
• FBO（Pin 5）：反饋比較器輸出，典型上拉電流為 20μA，典型下拉阻抗為 70Ω。
• VPRG2、VPRG1（Pins 6, 7）：用于輸出電壓選擇。通過不同的短路組合，可以實(shí)現(xiàn)不同的固定輸出電壓，如 1.8V、3.3V 或 5V；若將兩者都短路到地，則可實(shí)現(xiàn)電阻分壓器可編程輸出電壓。
• GND（Pin 8, 16, Exposed Pad Pin 17）：接地引腳，外露焊盤必須焊接到 PCB 接地平面以實(shí)現(xiàn)額定熱性能。
• VFB（Pin 9）：輸出電壓反饋引腳。在可調(diào)輸出電壓配置中，連接到外部電阻分壓器以將輸出電壓分壓后與 0.8V 參考電壓進(jìn)行比較；在固定輸出配置中，直接連接到輸出。
• SS（Pin 10）：軟啟動控制輸入引腳。通過連接到地的電容來設(shè)置輸出電壓的上升時間。初始時，50μA 的電流對軟啟動電容充電，開關(guān)開始工作后，電流降至 5μA。每 6.25nF 的電容從 SS 到 GND，輸出電壓從 0 到調(diào)節(jié)值的上升時間為 1ms；若引腳懸空，則默認(rèn)內(nèi)部 1ms 軟啟動。
• ISET（Pin 11）：峰值電流設(shè)置輸入引腳。通過連接到地的電阻來設(shè)置峰值電流比較器閾值。引腳懸空時，典型峰值電流為 230mA；短路到地時，典型峰值電流為 25mA。最大輸出電流為峰值電流的一半。在睡眠模式下，從該引腳流出的 5μA 電流會降至 1μA。此外，還可以在該引腳與 GND 之間放置電容，以犧牲效率為代價來降低輕載輸出電壓紋波。
• OVLO（Pin 12）：過壓鎖定輸入引腳。通過電阻分壓器連接到輸入電源，以設(shè)置過壓鎖定電平。當(dāng)該引腳電壓高于 1.21V 時，內(nèi)部 MOSFET 開關(guān)將被禁用；當(dāng)電壓降至 1.10V 以下時，恢復(fù)正常操作。超過 OVLO 鎖定閾值會觸發(fā)軟啟動復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)從輸入電源瞬變中平穩(wěn)恢復(fù)。若不使用過壓功能，可將該引腳接地。
• RUN（Pin 14）：運(yùn)行控制輸入引腳。當(dāng)該引腳電壓高于 1.21V 時，啟用正常操作；將該引腳電壓強(qiáng)制降至 0.7V 以下時，LTC3639 將進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，靜態(tài)電流降至約 1.4μA。也可以通過電阻分壓器連接到輸入電源，以設(shè)置欠壓鎖定。

三、電氣特性

1. 輸入電源（VIN）

• 輸入電壓工作范圍為 4V 至 150V。
• 輸出電壓工作范圍為 0.8V 至 VIN。
• 欠壓鎖定（UVLO）：VIN 上升閾值為 3.5V（典型值），下降閾值為 3.3V（典型值），滯后為 250mV。
• DC 電源電流（IQ）：在不同模式下有所不同，活動模式典型值為 150μA，睡眠模式典型值為 12μA，關(guān)機(jī)模式典型值為 1.4μA。

2. 輸出電源（VFB）

• 反饋比較器閾值（可調(diào)輸出）：LTC3639E 和 LTC3639I 的 VFB 上升閾值典型值為 0.800V，LTC3639H 和 LTC3639MP 的典型值為 0.800V；反饋比較器滯后（可調(diào)輸出）典型值為 5mV。
• 反饋引腳電流（IFB）：VFB = 1V 且 VPRG1 = VPRG2 = 0V 時，典型值為 0nA。
• 反饋比較器閾值（固定輸出）：根據(jù)不同的 VPRG1 和 VPRG2 配置，有不同的上升和下降閾值。

3. 其他特性

• 峰值電流比較器閾值（IPEAK）：ISET 懸空時典型值為 230mA，通過 100k 電阻連接到 GND 時典型值為 120mA，ISET 短路到 GND 時典型值為 25mA。
• 功率開關(guān)導(dǎo)通電阻（RON）：頂部開關(guān)典型值為 4.2Ω，底部開關(guān)典型值為 2.2Ω。
• 開關(guān)引腳泄漏電流（ILSW）：VIN = 150V 且 SW = 0V 時，典型值為 0.1μA。
• 軟啟動引腳拉電流（ISS）：VSS < 2.5V 時，典型值為 5μA。
• 內(nèi)部軟啟動時間（tINT(SS)）：SS 引腳懸空時為 1ms。

四、工作原理

1. Burst Mode 控制

LTC3639 的 Burst Mode 控制通過短“突發(fā)”周期將電感電流通過內(nèi)部功率 MOSFET 開關(guān)進(jìn)行切換，隨后進(jìn)入睡眠周期，此時功率開關(guān)關(guān)閉，負(fù)載電流由輸出電容提供。在睡眠周期，芯片僅消耗 12μA 的電源電流。在輕負(fù)載時，突發(fā)周期在總周期時間中所占比例較小，從而最小化平均電源電流，大大提高了效率。

2. 主控制回路

芯片使用 VPRG1 和 VPRG2 控制引腳將內(nèi)部反饋電阻連接到 VFB 引腳，可實(shí)現(xiàn) 1.8V、3.3V 或 5V 的固定輸出，而無需增加元件數(shù)量、輸入電源電流或受到反饋比較器敏感輸入噪聲的影響。在可調(diào)模式下，反饋比較器監(jiān)測 VFB 引腳電壓并與內(nèi)部 800mV 參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng) VFB 引腳電壓高于參考電壓時，比較器激活睡眠模式，禁用功率開關(guān)和電流比較器，將 VIN 引腳電源電流降至 12μA。隨著負(fù)載電流使輸出電容放電，VFB 引腳電壓下降。當(dāng)電壓低于 800mV 參考電壓 5mV 時，反饋比較器觸發(fā)并啟用突發(fā)周期。

3. 啟動和關(guān)機(jī)

當(dāng) RUN 引腳電壓低于 0.7V 時，LTC3639 進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，所有內(nèi)部電路禁用，DC 電源電流降至 1.4μA。當(dāng) RUN 引腳電壓超過 1.21V 時，主控制回路正常操作啟用。RUN 引腳比較器具有 110mV 的內(nèi)部滯后，因此必須降至 1.1V 以下才能禁用主控制回路。內(nèi)部 1ms 軟啟動功能限制了啟動時輸出電壓的上升速率，以防止輸入電源過度下垂。若需要更長的上升時間和更小的電源下垂，可在 SS 引腳與地之間放置電容。

4. 峰值電感電流編程

峰值電流比較器通常將峰值電感電流限制在 230mA。通過在 ISET 引腳與地之間放置電阻，可以調(diào)整峰值電感電流。該引腳流出的 5μA 電流通過電阻產(chǎn)生的電壓可調(diào)整峰值電流比較器閾值。在睡眠模式下，ISET 引腳流出的電流降至 1μA，退出睡眠模式后的第一個開關(guān)周期，ISET 電流恢復(fù)到 5μA。通過在 ISET 引腳與地之間添加濾波電容 CISET，可以降低輕載輸出電壓紋波，但會犧牲一定的效率和負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)。

5. 降壓操作

當(dāng)輸入電源電壓接近輸出電源電壓時，占空比增加以維持調(diào)節(jié)。LTC3639 中的 P 溝道 MOSFET 頂部開關(guān)允許占空比增加到 100%。在 100% 占空比時，P 溝道 MOSFET 持續(xù)導(dǎo)通，提供等于峰值電流的輸出電流，在非降壓狀態(tài)下，該電流是最大負(fù)載電流的兩倍。

6. 輸入欠壓和過壓鎖定

LTC3639 還實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能，當(dāng)輸入電壓不在可編程操作范圍內(nèi)時，禁止開關(guān)操作。通過從輸入電源到地的電阻分壓器，RUN 和 OVLO 引腳可作為精確的輸入電源電壓監(jiān)測器。當(dāng) RUN 引腳電壓低于 1.1V 或 OVLO 引腳電壓高于 1.21V 時，開關(guān)操作將被禁用，可將開關(guān)操作限制在特定的輸入電源電壓范圍內(nèi)。此外，如果輸入電壓低于典型值 3.5V（最大值 3.8V），內(nèi)部欠壓檢測器將禁用開關(guān)操作。當(dāng)開關(guān)操作被禁用時，LTC3639 可以安全地承受高達(dá) 150V 的輸入電壓。輸入電源欠壓或過壓事件會觸發(fā)軟啟動復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)從輸入電源瞬變中平穩(wěn)恢復(fù)。

五、應(yīng)用信息

1. 外部元件選擇

• 峰值電流電阻選擇：峰值電流比較器的最大電流限制至少為 200mA，可保證最大平均電流為 100mA。對于電流需求較小的應(yīng)用，峰值電流閾值可降低至 17mA。峰值電流閾值與 ISET 引腳電壓成線性比例，通常通過在 ISET 引腳與地之間選擇合適的電阻（RISET）來編程峰值電流。電阻值可通過公式 (R{ISET}=I{PEAK} cdot 10^{6})（其中 20mA < (I_{PEAK}) < 200mA）計(jì)算。選擇電阻值時，要注意該架構(gòu)的最大平均輸出電流限制為峰值電流的一半，因此應(yīng)選擇一個能在所有條件下提供足夠負(fù)載電流的峰值電流值。一般來說，選擇峰值電流為最大負(fù)載電流的 2.2 倍是一個不錯的起點(diǎn)。
• 電感選擇：電感、輸入電壓、輸出電壓和峰值電流決定了 LTC3639 在突發(fā)周期內(nèi)的開關(guān)頻率。對于給定的輸入電壓、輸出電壓和峰值電流，電感值決定了輸出處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時突發(fā)周期內(nèi)的開關(guān)頻率。通常，開關(guān)頻率在 50kHz 至 200kHz 之間可實(shí)現(xiàn)高效率，100kHz 是許多應(yīng)用的首選。電感值可通過公式 (L=left(frac{V{OUT }}{f cdot I{PEAK }}right) cdotleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)) 計(jì)算。同時，電感值還需滿足 (L>frac{V{IN(MAX)} cdot t{ON(MIN)}}{I{PEAK }} cdot 1.2) 和 (L>frac{V{OUT } cdot 3.5 mu H}{1 V} cdot 1.2) 的條件，以確保電感電流得到良好控制。雖然上述公式給出了最小電感值，但一般來說，較大的電感值可實(shí)現(xiàn)更高的效率，但會增加直流電阻（DCR），從而導(dǎo)致銅損增加和電流額定值降低。因此，需要在這些因素之間進(jìn)行權(quán)衡。
• 電感核心選擇：確定電感值后，需要選擇電感類型。高性能調(diào)節(jié)器通常不能承受低成本鐵粉芯的鐵芯損耗，因此更傾向于使用更昂貴的鐵氧體芯。鐵氧體設(shè)計(jì)具有非常低的鐵芯損耗，在高開關(guān)頻率下表現(xiàn)出色，但要注意防止鐵芯飽和。不同的鐵芯材料和形狀會影響電感的尺寸/電流和價格/電流關(guān)系，選擇時主要取決于價格與尺寸要求以及輻射場/EMI 要求。
• CIN 和 COUT 選擇：輸入電容 (C{IN}) 用于過濾頂部高側(cè) MOSFET 源極的梯形電流，其大小應(yīng)滿足 (C{IN}>frac{L cdot I{PEAK }^{2}}{2 cdot V{IN} cdot Delta V{IN}}) 的條件，以提供磁化電感所需的能量，同時避免輸入電壓大幅下降。建議使用比計(jì)算值更大的 (C{IN})，一般來說，1μF X7R 陶瓷電容是大多數(shù) LTC3639 應(yīng)用的不錯選擇。為防止大的紋波電壓，應(yīng)使用低 ESR 輸入電容，并根據(jù)最大 RMS 電流進(jìn)行選型。輸出電容 (C{OUT}) 用于過濾電感的紋波電流，并在芯片處于睡眠狀態(tài)時存儲能量以滿足負(fù)載電流需求。輸出紋波電壓有一個下限 (V{OUT } / 160)，可通過公式 (Delta V{OUT } approxleft(frac{I{PEAK }}{2}-I{LOAD }right) cdot frac{4 cdot 10^{-6}}{C{OUT }}+frac{V{OUT }}{160}) 近似計(jì)算。選擇 (C{OUT}) 時，應(yīng)滿足 (C{OUT } geq frac{I{PEAK } cdot 2 cdot 10^{-6}}{Delta V{OUT }-frac{V{OUT }}{160}}) 和 (C{OUT }>frac{L}{2} cdotleft(frac{I{PEAK }}{V{OUT }}right)^{2} cdot frac{100 %}{1 %}) 的條件，以限制輸出電壓紋波并接受電感存儲的能量。同時，輸出電容還需能夠處理電感產(chǎn)生的紋波電流，最壞情況下的紋波電流為 (I{RMS}=I_{PEAK} / 2)?？筛鶕?jù)具體需求選擇不同類型的電容，如干鉭電容、特殊聚合物電容、鋁電解電容和陶瓷電容等。

2. 輸入電壓階躍

如果輸入電壓低于調(diào)節(jié)后的輸出電壓，內(nèi)部高側(cè) MOSFET 的體二極管將從輸出電源向輸入電源傳導(dǎo)電流。如果輸入電壓快速下降，電感兩端的電壓將顯著增加，可能導(dǎo)致電感飽和，從而使大電流通過高側(cè) MOSFET 體二極管，造成過度功率損耗，可能損壞芯片。因此，在預(yù)期輸入電源會出現(xiàn)快速電壓階躍的情況下，需要采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

六、總結(jié)

LTC3639 是一款功能強(qiáng)大、性能出色的同步降壓 DC/DC 調(diào)節(jié)器，適用于各種需要高效電源管理的應(yīng)用場景。通過合理選擇外部元件和正確配置引腳功能，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的電源供應(yīng)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，綜合考慮各種因素，確保系統(tǒng)的性能和可靠性。你在使用 LTC3639 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。