電子工程師必看：LTC1707同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器深度剖析

在電子設(shè)備的電源設(shè)計中，選擇一款合適的開關(guān)穩(wěn)壓器至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討Linear Technology公司的LTC1707，一款高性能的單片同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。

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一、LTC1707的特性亮點

1. 強大的輸出能力

LTC1707能夠提供高達600mA的輸出電流（當(dāng) (V_{IN} ≥4V) ），這使得它可以滿足許多中低功率設(shè)備的供電需求。

2. 高效率表現(xiàn)

其效率最高可達96%，這意味著在能量轉(zhuǎn)換過程中，能夠最大程度地減少能量損耗，提高電源的使用效率，對于電池供電的設(shè)備來說，這可以有效延長電池的續(xù)航時間。

3. 穩(wěn)定的頻率控制

它采用350kHz的恒定頻率，并且可以同步到550kHz，這種穩(wěn)定的頻率控制有助于減少電磁干擾，同時也能讓工程師根據(jù)實際需求靈活調(diào)整。

4. 寬輸入電壓范圍

輸入電壓范圍為2.85V至8.5V，這使得它既可以適用于單節(jié)或雙節(jié)鋰離子電池供電的應(yīng)用，也能在其他多種電源環(huán)境下穩(wěn)定工作。

5. 低電壓輸出能力

憑借0.8V的反饋參考，它可以輕松實現(xiàn)低至0.8V的輸出電壓，滿足一些對低電壓供電有需求的設(shè)備。

6. 無需肖特基二極管

內(nèi)部的同步MOSFET開關(guān)提高了效率，同時省去了外部肖特基二極管，減少了元件數(shù)量和電路板空間。

7. 多種工作模式

具備可選的Burst Mode? 操作/脈沖跳過模式，能夠根據(jù)負(fù)載情況自動調(diào)整工作模式，在輕負(fù)載時提供更高的效率。

8. 其他特性

還具有低靜態(tài)電流（200μA）、關(guān)機模式僅消耗11μA的電源電流、精確的2.7V欠壓鎖定、電流模式控制以實現(xiàn)出色的線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)等特性。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

LTC1707適用于多種電子設(shè)備，如手機、便攜式儀器、無線調(diào)制解調(diào)器、RF通信設(shè)備、分布式電源系統(tǒng)以及單節(jié)和雙節(jié)鋰離子電池供電的設(shè)備等。

三、工作原理詳解

1. 主控制回路

LTC1707采用恒定頻率、電流模式降壓架構(gòu)，內(nèi)部集成了主（P溝道MOSFET）和同步（N溝道MOSFET）開關(guān)。在正常工作時，振蕩器設(shè)置RS鎖存器時，內(nèi)部頂部功率MOSFET開啟；電流比較器 (I COMP) 復(fù)位RS鎖存器時，頂部MOSFET關(guān)閉。 (I COMP) 復(fù)位RS鎖存器的峰值電感電流由 (I{TH}) 引腳的電壓控制，該電壓是誤差放大器EA的輸出。 (V{FB}) 引腳接收外部電阻分壓器的輸出反饋電壓，當(dāng)負(fù)載電流增加時，反饋電壓相對于0.8V參考略有下降，導(dǎo)致 (I_{TH}) 電壓升高，直到平均電感電流與新的負(fù)載電流匹配。頂部MOSFET關(guān)閉時，底部MOSFET開啟，直到電感電流開始反向或下一個周期開始。

2. Burst Mode操作

當(dāng)SYNC/MODE引腳浮空或連接到邏輯高電平時，LTC1707進入Burst Mode操作。在這種模式下，內(nèi)部功率MOSFET根據(jù)負(fù)載需求間歇性工作。當(dāng)電感的平均電流大于負(fù)載需求時， (I{TH}) 引腳電壓下降，當(dāng) (I{TH}) 電壓低于0.12V時，BURST比較器觸發(fā)，使內(nèi)部睡眠線變高，強制關(guān)閉兩個內(nèi)部功率MOSFET。在睡眠模式下，功率MOSFET關(guān)閉，內(nèi)部電路部分關(guān)閉，靜態(tài)電流降至200μA。當(dāng)輸出電壓下降， (I_{TH}) 上升到0.22V以上時，頂部MOSFET再次開啟。

3. 短路保護

當(dāng)輸出短路到地時，振蕩器頻率降低到約35kHz（標(biāo)稱頻率的1/10），確保電感電流有更多時間衰減，防止失控。當(dāng) (V_{FB}) 上升到0.3V以上時，振蕩器頻率逐漸增加到350kHz（或同步頻率）。

4. 頻率同步

LTC1707可以與外部TTL/CMOS兼容的時鐘信號同步，信號幅度至少為 (2Vp-p) ，頻率范圍為385kHz至550kHz。同步時，LTC1707工作在PWM脈沖跳過模式，在低輸出負(fù)載時，電流比較器 (I COMP) 保持觸發(fā)多個周期，迫使主開關(guān)保持關(guān)閉相同數(shù)量的周期。增加輸出負(fù)載可恢復(fù)恒定頻率PWM操作。當(dāng)反饋電壓 (VFB) 低于0.6V時，頻率同步被禁止，以防止外部時鐘干擾短路保護的頻率折返。

5. 降壓操作

當(dāng)輸入電源電壓接近輸出電壓時，占空比增加到最大導(dǎo)通時間。進一步降低電源電壓會使主開關(guān)連續(xù)導(dǎo)通多個周期，直到達到100%占空比。輸出電壓由輸入電壓減去P溝道MOSFET和電感上的電壓降決定。在Burst Mode或脈沖跳過模式下輕載時，LTC1707進入降壓狀態(tài)時會過渡到連續(xù)模式。

6. 欠壓鎖定

當(dāng) (VIN) 下降到2.7V以下時，精確的欠壓鎖定會關(guān)閉LTC1707，這對于單節(jié)鋰離子電池應(yīng)用非常理想。在鎖定狀態(tài)下，LTC1707僅消耗幾微安的電流，可防止鋰離子電池過度放電和損壞。100mV的滯后確保在有噪聲的輸入電源下可靠工作。

7. 低電源操作

LTC1707設(shè)計為可在低至2.85V的輸入電壓下工作。在該電壓下，轉(zhuǎn)換器很可能以高占空比運行或處于降壓狀態(tài)，主要的 (I^{2} R) 損耗來自P溝道MOSFET的 (R{DS(ON)}) 。當(dāng) (V{IN}<4V) 時，輸出電流需要降額。

四、應(yīng)用信息與設(shè)計要點

1. 外部元件選擇

• 電感值計算：電感選擇取決于LTC1707的工作頻率，內(nèi)部預(yù)設(shè)頻率為350kHz，可外部同步至550kHz。較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會增加內(nèi)部柵極電荷損耗，導(dǎo)致效率降低。電感值直接影響紋波電流，合理設(shè)置紋波電流的起點為 (Delta I{L}=0.4(I{MAX})) 。此外，電感值還會影響B(tài)urst Mode操作，較低的電感值會使低電流操作的過渡在較低負(fù)載電流下發(fā)生，可能導(dǎo)致低電流操作上半部分的效率下降，并且會使Burst頻率增加。
• 電感磁芯選擇：高效率轉(zhuǎn)換器通常不能承受低成本鐵粉芯的磁芯損耗，因此需要選擇鐵氧體、鉬坡莫合金或Kool Mμ等磁芯。鐵氧體設(shè)計具有非常低的磁芯損耗，在高開關(guān)頻率下是首選，但要注意防止磁芯飽和。Kool Mμ是一種低損耗的環(huán)形磁芯材料，具有“軟”飽和特性。鉬坡莫合金在高開關(guān)頻率下效率稍高，但價格較貴。環(huán)形磁芯空間效率高，而繞在骨架上的電感通常更容易表面貼裝。
• (C{IN}) 和 (C{OUT}) 選擇：在連續(xù)模式下，頂部MOSFET的源電流是占空比為 (V{OUT } / V{IN }) 的方波，為防止大的電壓瞬變，需要使用低ESR的輸入電容器，其最大RMS電流由公式 (C{IN } required I{RMS } cong I{MAX } frac{left[V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)right]^{1 / 2}}{V{IN }}) 計算。 (C{OUT}) 的選擇取決于所需的有效串聯(lián)電阻（ESR），輸出紋波 (Delta V{OUT }) 由公式 (Delta V{OUT } cong Delta I{L}left(ESR+frac{1}{8 fC{OUT }}right)) 確定。對于LTC1707，一般要求 (C_{OUT } required ESR <0.25 Omega) 。

2. 輸出電壓編程

輸出電壓由電阻分壓器根據(jù)公式 (V_{OUT }=0.8 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right)) 設(shè)置，外部電阻分壓器連接到輸出，可實現(xiàn)遠程電壓感測。

3. 運行/軟啟動功能

RUN/SS引腳具有軟啟動和關(guān)閉LTC1707的雙重功能。內(nèi)部2.25μA的電流源對外部電容器 (C_{SS}) 充電，當(dāng)RUN/SS引腳電壓達到0.7V時，LTC1707開始工作。隨著RUN/SS引腳電壓從0.7V上升到1.8V，內(nèi)部電流限制也按比例線性增加。將RUN/SS引腳拉低至0.4V以下，LTC1707進入低靜態(tài)電流關(guān)機狀態(tài)。

4. 效率考慮

開關(guān)穩(wěn)壓器的效率等于輸出功率除以輸入功率再乘以100%。LTC1707電路中的主要損耗來源是 (V{IN}) 靜態(tài)電流和 (I^{2} R) 損耗。 (V{IN}) 靜態(tài)電流在極低負(fù)載電流時主導(dǎo)效率損失，而 (I^{2} R) 損耗在中高負(fù)載電流時主導(dǎo)效率損失。其他損耗包括 (C{IN}) 和 (C{OUT}) 的ESR耗散損耗、MOSFET開關(guān)損耗以及電感磁芯和銅損耗，通?？傤~外損耗小于2%。

5. 瞬態(tài)響應(yīng)檢查

可以通過觀察負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)來檢查調(diào)節(jié)器環(huán)路響應(yīng)。開關(guān)穩(wěn)壓器需要幾個周期來響應(yīng)負(fù)載電流的階躍變化。負(fù)載階躍發(fā)生時， (Vout) 會立即偏移一個等于 ((Delta l{LOAD} cdot ESR)) 的量， (Delta I{LOAD}) 也會開始對 (C{OUT}) 充電或放電，產(chǎn)生反饋誤差信號，調(diào)節(jié)器環(huán)路會將 (Vout) 恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值。在此恢復(fù)過程中，可以監(jiān)測 (V{OUT}) 是否有過沖或振鈴，以判斷是否存在穩(wěn)定性問題。內(nèi)部補償通常能滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求，但如果需要額外補償，可以使用 (I_{TH}) 引腳進行外部補償。

6. PCB布局檢查

在進行印刷電路板布局時，需要注意以下幾點：

• 信號地和功率地應(yīng)分開，信號地包括電阻分壓器、可選的補償網(wǎng)絡(luò)（ (R{C}) 和 (C{C 1}) ）、 (C{SS}) 、 (C{REF}) 和 (C{C 2}) ，功率地包括 (C{IN}) 的負(fù)極板、 (Cout) 的負(fù)極板和LTC1707的引腳4。功率地走線應(yīng)短、直且寬，信號地和功率地應(yīng)在星型接地配置中匯聚到一個公共節(jié)點。
• (VFB) 引腳應(yīng)直接連接到反饋電阻，電阻分壓器R1/R2應(yīng)連接在 (C_{OUT}) 的正極板和信號地之間。
• (C_{IN}) 的正極板應(yīng)盡可能靠近 (VIN) 連接，該電容器為內(nèi)部功率MOSFET提供交流電流。
• 開關(guān)節(jié)點SW應(yīng)遠離敏感的小信號節(jié)點。

五、設(shè)計示例

假設(shè)我們要設(shè)計一個基于LTC1707的電源電路，輸出電壓為3.3V，最大負(fù)載電流為500mA。首先，根據(jù)輸出電壓公式 (V_{OUT }=0.8 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right)) ，可以計算出電阻分壓器的阻值。然后，根據(jù)負(fù)載電流和輸入電壓范圍，選擇合適的電感值和電容值。在布局方面，嚴(yán)格按照PCB布局檢查要點進行設(shè)計，確保電路的穩(wěn)定性和性能。

通過以上對LTC1707的詳細分析，相信大家對這款同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器有了更深入的了解。在實際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部元件，優(yōu)化電路布局，以充分發(fā)揮LTC1707的性能優(yōu)勢。你在使用LTC1707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)驗和見解。