LTC1149/LTC1149 - 3.3/LTC1149 - 5：高效同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而降壓開關(guān)穩(wěn)壓器在其中扮演著重要角色。今天，我們就來深入探討一下 Linear Technology 公司的 LTC1149 系列高效同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。

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一、產(chǎn)品概述

LTC1149 系列是一系列同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，具備自動(dòng) Burst Mode? 操作功能，能在低輸出電流時(shí)保持高效率。它采用恒定關(guān)斷時(shí)間電流模式架構(gòu)，可驅(qū)動(dòng)外部互補(bǔ)功率 MOSFET，開關(guān)頻率最高可達(dá) 250kHz。該系列產(chǎn)品能在輸入電壓從壓降值到 48V（絕對(duì)最大 60V）的范圍內(nèi)工作，具有出色的線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

1. 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：可承受高達(dá) 48V 的輸入電壓，適用于多種不同的電源環(huán)境。
• 超高效率：效率最高可達(dá) 95%，能有效降低功耗。
• 電流模式操作：提供出色的線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 寬電流范圍內(nèi)保持高效率：在不同負(fù)載電流下都能維持良好的效率表現(xiàn)。
• 邏輯控制微功耗關(guān)斷：可通過邏輯信號(hào)控制進(jìn)入低功耗關(guān)斷模式，降低待機(jī)功耗。
• 短路保護(hù)：具備短路保護(hù)功能，增強(qiáng)了電路的安全性。
• 極低壓降操作：可實(shí)現(xiàn) 100% 占空比，在輸入電壓接近輸出電壓時(shí)仍能正常工作。
• 同步 FET 開關(guān)：采用同步 FET 開關(guān)技術(shù)，提高效率。
• 自適應(yīng)非重疊柵極驅(qū)動(dòng)：確保 MOSFET 的可靠開關(guān)，避免同時(shí)導(dǎo)通。
• 封裝形式：提供 16 引腳窄型 SO 封裝，便于 PCB 布局。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

• 筆記本和掌上電腦：為其提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。
• 便攜式儀器：滿足便攜式設(shè)備對(duì)電源效率和體積的要求。
• 電池供電數(shù)字設(shè)備：延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。
• 工業(yè)電源分配：適用于工業(yè)環(huán)境中的電源系統(tǒng)。
• 航空電子系統(tǒng)：為航空電子設(shè)備提供可靠的電源。
• 電信電源：滿足電信設(shè)備對(duì)電源穩(wěn)定性和效率的需求。

二、電氣特性

1. 電壓和電流參數(shù)

• 輸入電源電壓：范圍為 - 15V 至 60V。
• VCC 輸出電流：最大為 50mA。
• VCC 輸入電壓：最大為 16V。
• 連續(xù)輸出電流：最大為 50mA。
• 感測(cè)電壓：最大為 7V。
• 關(guān)斷電壓：最大為 7V。

2. 溫度范圍

• 工作溫度范圍：0°C 至 70°C（擴(kuò)展商用級(jí) - 40°C 至 85°C）。
• 結(jié)溫：最大為 125°C。
• 存儲(chǔ)溫度范圍： - 65°C 至 150°C。
• 引腳焊接溫度：10 秒內(nèi)為 300°C。

3. 其他特性參數(shù)

• 反饋電壓：LTC1149 為 1.21 - 1.29V（典型 1.25V）。
• 輸出電壓：LTC1149 - 3.3 為 3.23 - 3.43V，LTC1149 - 5 為 4.9 - 5.2V。
• 輸出電壓線路調(diào)節(jié)：在輸入電壓 9V 至 48V 變化時(shí)，調(diào)節(jié)范圍為 - 40 至 40mV。
• 輸出電壓負(fù)載調(diào)節(jié)：LTC1149 - 3.3 為 40 - 100mV，LTC1149 - 5 為 60 - 100mV。
• Burst 模式輸出紋波：最大為 50mVp - p。

三、工作原理

LTC1149 系列采用電流模式、恒定關(guān)斷時(shí)間架構(gòu)來同步切換外部互補(bǔ)功率 MOSFET。工作頻率由連接在定時(shí)電容引腳（Pin 6）上的外部電容設(shè)定。

1. 輸出電壓感測(cè)

• LTC1149 - 3.3 和 LTC1149 - 5 通過連接到 SENSE - 引腳（Pin 8）的內(nèi)部電阻分壓器感測(cè)輸出電壓。
• LTC1149 則通過連接到 VFB 引腳（Pin 10）的外部分壓器感測(cè)輸出電壓。

2. 工作模式

• 連續(xù)模式：當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，電路工作在連續(xù)模式。電流比較器監(jiān)測(cè)電感電流，當(dāng)電流達(dá)到閾值時(shí)，P 溝道 MOSFET 關(guān)斷，N 溝道 MOSFET 導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。
• Burst 模式：當(dāng)負(fù)載電流下降到連續(xù)模式所需水平以下時(shí)，電路自動(dòng)進(jìn)入 Burst 模式。在 Burst 模式下，部分電路關(guān)閉，降低功耗。當(dāng)輸出電容電壓下降到一定程度時(shí)，P 溝道 MOSFET 再次導(dǎo)通，重復(fù)上述過程。

四、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

1. 典型應(yīng)用電路

基本的 LTC1149 系列應(yīng)用電路如圖 1 所示。外部元件的選擇取決于輸入電壓和輸出負(fù)載要求，主要步驟如下：

• 選擇 RSENSE：根據(jù)所需輸出電流選擇 RSENSE。計(jì)算公式為 (R{SENSE }=frac{100 mV}{I{MAX}})。
• 選擇 (C_{T}) 和 L：根據(jù)所需的連續(xù)模式工作頻率計(jì)算 (C{T})，公式為 (C{T}=frac{(7.8)(10^{-5})}{f}(1 - frac{V{OUT }}{V{IN }}))。選擇電感 L 以確保電感紋波電流不超過 (frac{25 mV}{R{SENSE }})，最小電感值計(jì)算公式為 (L{MIN }=(5.1)(10^{5})(R{SENSE })(C{T})(V_{REG}))。
• 選擇功率 MOSFET 和 D1：根據(jù)輸入電壓、輸出電流等參數(shù)選擇合適的 P 溝道和 N 溝道 MOSFET 以及肖特基二極管 D1。
• 選擇 (C{IN}) 和 (C{OUT})：選擇輸入電容 (C{IN}) 以滿足最大 RMS 電流要求，計(jì)算公式為 (C{IN } Required I{RMS } approx frac{I{MAX }[V{OUT }(V{IN } - V{OUT })]^{1 / 2}}{V{IN }})。選擇輸出電容 (C{OUT}) 時(shí)，其 ESR 應(yīng)小于 (2R{SENSE})，以確保電路正常工作。

2. 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

• 電感選擇：高功率密度的設(shè)計(jì)通常需要低損耗的電感，如鐵氧體、鉬坡莫合金或 Kool Mμ? 磁芯。但要注意避免磁芯飽和，否則會(huì)導(dǎo)致電感紋波電流增大，影響電路性能。
• MOSFET 選擇：輸入電壓決定了 MOSFET 的閾值類型。當(dāng) (V{IN }>8V) 時(shí)，可使用標(biāo)準(zhǔn)閾值 MOSFET；當(dāng) (V{IN }) 可能低于 8V 時(shí)，建議使用邏輯電平閾值 MOSFET。同時(shí)，要考慮 MOSFET 的導(dǎo)通電阻 (R{DS(ON)})、反向傳輸電容 (C{RSS}) 等參數(shù)，以平衡 (I^{2}R) 損耗和過渡損耗。
• 電容選擇：輸入電容 (C{IN}) 要選擇低 ESR 的電容，以防止電壓瞬變。輸出電容 (C{OUT}) 的 ESR 對(duì)電路性能影響較大，應(yīng)根據(jù) (R_{SENSE}) 選擇合適的 ESR 值。

五、效率分析

1. 效率計(jì)算公式

開關(guān)穩(wěn)壓器的效率等于輸出功率除以輸入功率乘以 100%，可表示為 %Efficiency = 100 - (L1 + L2 + L3 + ...)，其中 L1、L2 等為各項(xiàng)損耗占輸入功率的百分比。

2. 主要損耗來源

• LTC1149 直流電源電流：輸入電壓越高，該損耗越大。在低負(fù)載電流時(shí)，直流偏置電流占總損耗的比例較大。
• MOSFET 柵極充電電流：與輸入電壓和工作頻率成正比。工作頻率越高，柵極充電損耗越大，因此高效率電路通常工作在中等頻率。
• (I^{2}R) 損耗：由 MOSFET、電感和電流分流器的直流電阻產(chǎn)生。輸出電流越大，(I^{2}R) 損耗越大，導(dǎo)致效率在高輸出電流時(shí)下降。
• P 溝道過渡損耗：僅在高輸入電壓（通常 24V 或更高）時(shí)出現(xiàn)，計(jì)算公式為 (Transition Loss approx 5(V{IN})^{2}(I{MAX})(C_{RSS})(f))。

六、設(shè)計(jì)實(shí)例

假設(shè)輸入電壓 (V{IN } = 24V)，輸出電壓 (V{OUT } = 5V)，最大輸出電流 (I_{MAX } = 2.5A)，工作頻率 (f = 100kHz)。

• 計(jì)算 RSENSE：(R_{SENSE}=frac{100 mV}{2.5}=0.039 Omega)
• 計(jì)算 (C_{T})：(C_{T}=frac{(7.8)(10^{-5})}{100 kHz}(1 - frac{5 V}{24 V})=620 pF)
• 計(jì)算 (L_{MIN})：(L_{MIN }=(5.1)(10^{5})(0.039 Omega)(620 pF)(5 V)=62 mu H)

通過對(duì)不同尺寸的 P 溝道 MOSFET 進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)中等尺寸的 MOSFET 在 (I_{MAX}) 時(shí)總損耗最低。對(duì)于 N 溝道 MOSFET，選擇時(shí)主要考慮 (I^{2}R) 損耗。

七、其他應(yīng)用技巧

1. 抑制 Burst 模式操作

在低輸出電流時(shí)，可通過簡(jiǎn)單的外部網(wǎng)絡(luò)消除 25mV 的最小電流比較器閾值，從而抑制 Burst 模式操作。這對(duì)于消除某些電感在輕載時(shí)的可聽噪聲很有用。

2. 輸出短路保護(hù)

使用 N 溝道 MOSFET 作為同步開關(guān)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。當(dāng)輸出電壓超過設(shè)定值時(shí)，將定時(shí)電容引腳（Pin 6）拉高，可使 N 溝道 MOSFET 導(dǎo)通，熔斷系統(tǒng)保險(xiǎn)絲。

3. PCB 布局

在 PCB 布局時(shí)，要注意信號(hào)地和功率地的隔離，SENSE - 和 SENSE + 引腳的布線，以及電容的連接等。遵循布局檢查表可確保電路正常工作。

八、總結(jié)

LTC1149 系列高效同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器具有多種優(yōu)良特性，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過程中，合理選擇外部元件、優(yōu)化電路布局以及分析效率損耗等方面都至關(guān)重要。通過深入了解其工作原理和應(yīng)用技巧，電子工程師可以設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的電源電路。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。