控制與保護(hù)功能

• 固定頻率電流模式控制：采用固定頻率電流模式控制，具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性，能夠快速響應(yīng)負(fù)載變化。
• 同步功能：可實(shí)現(xiàn) 200kHz 至 1MHz 的外部同步鎖相，方便與其他電路進(jìn)行同步操作。
• 軟啟動(dòng)與跟蹤：具備輸出電壓跟蹤和軟啟動(dòng)功能，可避免啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，保護(hù)電路元件。
• 完善的保護(hù)機(jī)制：擁有短路保護(hù)（帶可調(diào)重試定時(shí)器）、過流保護(hù)和過溫保護(hù)功能，還配備板載二極管溫度監(jiān)測器，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

其他特性

• 可選外部參考輸入：支持可選的外部參考輸入，增加了輸出電壓設(shè)置的靈活性。
• 狀態(tài)指示：提供電源良好（PGOOD）和故障（FAULT）輸出指示，方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)。
• 緊湊封裝：采用 120 引腳、16mm × 16mm × 8.96mm 的 BGA 封裝，節(jié)省了 PCB 空間。

三、工作原理

整體架構(gòu)

LTM4654 采用混合開關(guān)電容拓?fù)洌膫€(gè)功率開關(guān)和電容器組 (C{FLY}) 和 (C{MID}) 構(gòu)成開關(guān)電容級(jí)，將輸入電壓在 MID 處減半。MID 處的電壓再通過功率電感和輸出電容器進(jìn)一步降壓，類似于降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器。

控制策略

• 峰值電流模式控制：采用峰值電流模式控制電感電流，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的脈寬調(diào)制（PWM），并保持精確的輸出調(diào)節(jié)。這種控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)快速的逐周期電流限制，保護(hù)內(nèi)部組件，同時(shí)在寬范圍的輸出電容器下具有良好的瞬態(tài)性能和穩(wěn)定性。
• 輸出電壓編程：通過 (V_{FB}) 引腳連接一個(gè)到地的單個(gè)電阻即可編程輸出電壓，簡單方便。
• 開關(guān)頻率編程：開關(guān)頻率可通過連接在 FREQ 引腳和 SGND 之間的單個(gè)電阻進(jìn)行編程，典型的開關(guān)頻率范圍為 300kHz 至 500kHz。

電容平衡階段

在初始上電時(shí)，會(huì)對(duì)飛跨電容器 (C{FLY}) 和 (C{MID}) 的電壓進(jìn)行測量。如果這些電壓未達(dá)到 (V{IN}/2)，TIMER 電容器開始充電。當(dāng) TIMER 電容器電壓達(dá)到 0.5V 時(shí)，內(nèi)部電流源開啟，將 (C{FLY}) 電壓充電至 (V{IN}/2)，然后再將 (C{MID}) 充電至 (V{IN}/2)。在此階段，TRACK/SS 引腳被拉低。如果在 TIMER 電容器電壓達(dá)到 1.2V 之前，(C{FLY}) 和 (C{MID}) 的電壓達(dá)到 (V{IN}/2)，則 TRACK/SS 引腳釋放并開始充電，TIMER 引腳復(fù)位至地，正常操作開始；否則，內(nèi)部電流源關(guān)閉，TIMER 電容器以初始速率的一半充電至 4V，然后復(fù)位至零，重復(fù)上述過程。

在正常運(yùn)行期間，僅監(jiān)測 (C{MID}) 相對(duì)于 (V{IN}/2) 的偏差。如果 (V_{CMD}) 超出由連接在 HYSPRGM 引腳到地的電阻設(shè)置的電壓窗口，所有開關(guān)停止，TRACK/SS 引腳被拉低，內(nèi)部電流源開啟，將 (C{FLY}) 和 (C{MID}) 的電壓恢復(fù)到 (V{IN}/2)，F(xiàn)AULT 引腳被拉低，平衡完成后釋放。

四、應(yīng)用信息

電源供應(yīng)

• INTVCC/EXTVCC 電源：功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)器和大部分內(nèi)部電路的電源來自 (INTVCC) 引腳。當(dāng) (EXTVCC) 引腳接地或連接到小于 7V（典型值）的電壓時(shí)，內(nèi)部 5.8V 線性穩(wěn)壓器從 (V{IN}) 提供 (INTVCC) 電源；當(dāng) (EXTVCC) 高于 7V（典型值）時(shí)，該線性穩(wěn)壓器關(guān)閉，另一個(gè) 5.8V 線性穩(wěn)壓器開啟，從 (EXTVCC) 提供 (INTVCC) 電源。對(duì)于 (V{OUT}) 不低于 7.5V（理想情況下為 8V 以增加安全余量）的應(yīng)用，(EXTVCC) 可直接連接到 (V_{OUT})，以提高整體效率。
• 關(guān)斷與啟動(dòng)：當(dāng) RUN 引腳低于 1.1V 時(shí)，(INTVCC) 線性穩(wěn)壓器和所有內(nèi)部電路進(jìn)入關(guān)斷模式。釋放 RUN 引腳后，內(nèi)部 1μA 電流源將 RUN 引腳拉高，使能 LTM4654。RUN 引腳也可由邏輯直接驅(qū)動(dòng)，但電壓不能超過絕對(duì)最大額定值 6V。輸出電壓 (V_{OUT}) 的斜率可通過 TRACK/SS 引腳的電壓控制，通過連接一個(gè)外部電容器到 SGND 可設(shè)置軟啟動(dòng)周期。

輸出電壓跟蹤

TRACK/SS 引腳允許 (V{OUT}) 的啟動(dòng)跟蹤另一個(gè)電源。可配置為重合跟蹤或比例跟蹤。在重合跟蹤中，將電阻分壓器連接在外部電源 (V{OUT1}) 和地之間，并將其中點(diǎn)連接到 LTM4654 的 TRACK/SS 引腳，分壓器的比例應(yīng)與從屬通道的反饋分壓器相同；在比例跟蹤中，將電阻分壓器連接從外部電源到 LTM4654 的 TRACK/SS 引腳，選擇合適的電阻值，使外部電源達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，TRACK/SS 引腳的最終電壓不超過 0.8V。

工作模式選擇

LTM4654 可選擇進(jìn)入高效突發(fā)模式（Burst Mode）、脈沖跳過模式（PSM）或強(qiáng)制連續(xù)模式（FCM）。通過將 MODE/PLLIN 引腳連接到 SGND 可選擇 FCM 模式；連接到 (INTVCC) 可選擇 PSM 模式；浮空則選擇突發(fā)模式。不同模式在輕載效率、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和輸出紋波等方面具有不同的特點(diǎn)，用戶可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

頻率選擇與鎖相環(huán)

開關(guān)頻率可通過 FREQ 引腳進(jìn)行選擇。如果 MODE/PLLIN 引腳未由外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)，可使用 FREQ 引腳將控制器的工作頻率編程為 200kHz 至 1MHz。內(nèi)部集成的鎖相環(huán)（PLL）可將內(nèi)部振蕩器同步到連接到 MODE/PLLIN 引腳的外部時(shí)鐘源，同步時(shí)控制器工作在 FCM 模式。

溫度監(jiān)測

LTM4654 可通過 TEMP 引腳進(jìn)行熱點(diǎn)監(jiān)測。使用正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻作為電阻分壓器的下臂，并將分壓器的公共點(diǎn)連接到 TEMP 引腳。當(dāng)溫度超過 PTC 熱敏電阻的居里點(diǎn)時(shí)，電壓會(huì)急劇增加。當(dāng) TEMP 引腳達(dá)到 1.22V 時(shí)，所有開關(guān)停止 100ms。此外，TEMP+ 和 TEMP - 引腳之間內(nèi)部連接有一個(gè)二極管連接的 PNP 晶體管，通過施加特定的直流電流并測量這兩個(gè)引腳之間的差分電壓，可估算 LTM4654 的內(nèi)部溫度。

電容選擇

• 輸入電容：LTM4654 模塊應(yīng)連接到低交流阻抗的直流源。對(duì)于調(diào)節(jié)器輸入，需要三個(gè) 10μF 的輸入陶瓷電容器來處理直至滿載的均方根（RMS）紋波電流。如果輸入源阻抗因長電感引線而受到影響，可使用 33μF 或 47μF 的表面貼裝鋁電解大容量電容器；如果使用低阻抗電源平面，則不需要該大容量電容器。對(duì)于 48V 或 54V 總線的 IBC 應(yīng)用，應(yīng)選擇額定電壓至少為 100V 的輸入電容器。
• 輸出電容：為了實(shí)現(xiàn)良好的瞬態(tài)響應(yīng)和低輸出電壓紋波，應(yīng)選擇低等效串聯(lián)電阻（ESR）的 (C{OUT})。在 (V{OUT}) 和 GND 引腳附近放置至少三個(gè) 10μF 的輸出陶瓷電容器，以降低輸出紋波。可在較遠(yuǎn)位置放置至少 150μF 的鋁電解電容器作為大容量輸出電容器，以滿足下游負(fù)載的瞬態(tài)要求。選擇 (C_{OUT}) 時(shí)，要注意其 ESR 對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性的影響。
• (C{FLY}) 和 (C{MID}) 電容：陶瓷電容器因其低 ESR 而適用于 (C{FLY}) 和 (C{MID})。但在選擇時(shí)要注意，電容器的電壓額定值應(yīng)大于其工作電壓的一半，一般選擇電壓額定值為電容器工作電壓兩倍的電容器。對(duì)于工作溫度高于 85°C 的情況，應(yīng)使用具有 X7R 電介質(zhì)的電容器；對(duì)于低于 85°C 的操作，X5R 電介質(zhì)就足夠了。為了確保電容器的長期可靠性，應(yīng)將電容器的溫度升高控制在 20°C 以下，理想情況下為 10°C。同時(shí)，要考慮陶瓷電容器的電壓系數(shù)對(duì)電容值的影響，選擇足夠的電容值，使每個(gè)電容器上的紋波小于其直流偏置電壓的 2%。

五、PCB 布局建議

• 大電流路徑：使用大的 PCB 銅面積用于高電流路徑，包括 (V{IN})、GND 和 (V{OUT})，以最小化 PCB 傳導(dǎo)損耗和熱應(yīng)力。
• 高頻電容放置：將高頻陶瓷輸入和輸出電容器放置在 (V{IN})、MID、GND 和 (V{OUT}) 引腳附近，以最小化高頻噪聲。
• (C_{FLY}) 電容布線：使用短回路將 (C_{FLY}) 電容器從 (C^{+}) 連接到 (C^{-})，減少該回路中的寄生走線電感和電阻。
• 電源接地層：在單元下方放置專用的電源接地層。
• 過孔使用：使用多個(gè)過孔進(jìn)行頂層和其他電源層之間的互連，以最小化過孔傳導(dǎo)損耗并降低功率模塊的熱應(yīng)力。避免將過孔直接放在焊盤上，除非它們被覆蓋或鍍覆。
• SGND 區(qū)域：為連接到信號(hào)引腳的組件使用單獨(dú)的 SGND 接地銅區(qū)域，SGND 內(nèi)部連接到電源模塊的 GND。
• 并聯(lián)模塊連接：對(duì)于并聯(lián)功率模塊，將所有 (V{IN})、(V{FB}) 和 COMPa 引腳連接在一起，使用內(nèi)部層緊密連接這些引腳。TRACK/SS 引腳可連接到一個(gè)公共電容器以調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)。
• 測試點(diǎn)：在信號(hào)引腳上引出測試點(diǎn)，以便進(jìn)行監(jiān)測。

六、總結(jié)

LTM4654 是一款功能強(qiáng)大、性能出色的電源模塊，具有寬輸入輸出電壓范圍、高效率、高精度、完善的保護(hù)機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)。通過合理選擇工作模式、電容和進(jìn)行 PCB 布局，能夠滿足各種不同應(yīng)用場景的需求。無論是電信、網(wǎng)絡(luò)、測試測量設(shè)備還是工業(yè)應(yīng)用，LTM4654 都能為電源設(shè)計(jì)提供可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)具體需求，深入理解其工作原理和應(yīng)用信息，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出更加高效、穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。

你在使用 LTM4654 過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？或者對(duì)于電源模塊的設(shè)計(jì)，你有什么獨(dú)特的見解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。