深入剖析 LTM4691：低輸入電壓、高效雙路 2A 降壓 DC/DC μModule 穩壓器

在電子設計領域，電源管理模塊的性能對于整個系統的穩定性和效率起著至關重要的作用。今天，我們將深入探討 ADI 公司的 LTM4691 低輸入電壓、高效雙路 2A 降壓 DC/DC μModule 穩壓器，了解它的特點、應用以及如何在實際設計中發揮其優勢。

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一、產品概述

LTM4691 是一款高度集成的雙路 2A 輸出開關模式 DC/DC 電源，采用了小巧的 3mm × 4mm × 1.18mm LGA 封裝和 3mm × 4mm × 1.48mm BGA 封裝。模塊內部集成了開關控制器、功率 FET、電感器以及所有支持組件，能夠在 2.25V 至 3.6V 的輸入電壓范圍內穩定工作，支持兩個輸出，輸出電壓范圍可通過外部電阻編程設置為 0.5V 至 2.5V。

二、產品特性

2.1 封裝與尺寸

LTM4691 提供了兩種封裝形式，LGA 封裝和 BGA 封裝，尺寸小巧，適合對空間要求較高的應用場景。其低輪廓設計使得它能夠輕松集成到各種緊湊的電路板中。

2.2 輸入輸出特性

• 輸入電壓范圍：2.25V 至 3.6V，適應多種電源環境。
• 雙路 2A 輸出：能夠同時為兩個負載提供穩定的 2A 直流輸出電流，滿足不同負載的需求。
• 輸出電壓調節：總輸出電壓調節精度為 ±1.5%，確保輸出電壓的穩定性。

2.3 控制與保護特性

• 電流模式控制：采用電流模式控制，具有快速的瞬態響應，能夠迅速響應負載變化。
• 外部頻率同步：可以將開關頻率同步到 1MHz 至 3MHz 的外部時鐘，方便與其他電路進行同步。
• 180° 異相工作：兩路降壓轉換器以 180° 異相工作，減少輸入紋波電流，降低對輸入電源的要求。
• 可選工作模式：支持脈沖跳過模式、Burst Mode? 操作和強制連續模式，可根據不同的負載情況選擇合適的工作模式，提高效率。
• 電源良好指示：通過 PGOOD 引腳指示電源狀態，方便系統監控。
• 內部軟啟動：防止啟動時的電流沖擊，保護電路元件。
• 內部補償：簡化了外部電路設計，提高了系統的穩定性。
• 過壓、過流和過熱保護：確保在異常情況下保護設備安全。

三、應用領域

LTM4691 廣泛應用于電信、網絡和工業設備等領域，尤其適用于負載點調節、FPGA 和 ASIC 核心電源等應用場景。其高效、穩定的性能能夠滿足這些領域對電源的嚴格要求。

四、工作原理

4.1 開關模式控制

LTM4691 集成了兩個恒定頻率峰值電流模式調節器，通過控制功率 MOSFET 的開關來實現電壓轉換。典型的開關頻率為 2MHz，可通過外部時鐘同步到 1MHz 至 3MHz。

4.2 電流模式控制

電流模式控制提供了逐周期的快速電流限制，能夠在過流情況下及時保護電路。同時，內部反饋環路補償確保了系統的穩定性和良好的瞬態性能。

4.3 電源良好信號

每個降壓轉換器都有自己的內部 PGOOD 信號，當任一啟用的降壓轉換器的輸出電壓超出正常范圍時，PGOOD 引腳將被拉低，向微處理器發出電源故障信號。

4.4 軟啟動與保護機制

LTM4691 具有內部軟啟動功能，在啟動時逐漸增加輸出電壓，避免電流沖擊。同時，它還具備過壓、過流和過熱保護功能，確保在異常情況下保護設備安全。

五、應用信息

5.1 輸入輸出電容選擇

• 輸入電容：建議在每個 (V_{IN}) 引腳附近使用 10μF 的輸入陶瓷電容進行 RMS 紋波電流去耦。當輸入源阻抗較高時，可添加大容量的電解鋁電容或聚合物電容作為輸入電容。
• 輸出電容：僅需一個 22μF 的低 ESR 輸出陶瓷電容即可實現低輸出電壓紋波和良好的瞬態響應。根據具體應用需求，可添加額外的輸出濾波電容。

5.2 輸出電壓編程

通過在 VOUT 遠程感測點與 FB 引腳之間以及 FB 引腳與 SGND 引腳之間添加電阻分壓器，可以編程設置輸出電壓。推薦使用 1% 的電阻以保持輸出電壓的準確性。

5.3 模式選擇

LTM4691 支持三種工作模式：脈沖跳過模式、強制連續 PWM 模式和 Burst Mode 操作。通過設置 MODE/SYNC 引腳可以選擇不同的工作模式，以滿足不同負載情況下的效率和性能要求。

5.4 頻率同步

LTM4691 的內部振蕩器可以通過內部 PLL 電路同步到外部時鐘信號，實現頻率同步。同步時，降壓轉換器將工作在強制連續模式。

5.5 電源良好信號

PGOOD 引腳用于報告電源故障和過壓情況。當任一啟用的降壓轉換器的輸出電壓超出正常范圍時，PGOOD 引腳將被拉低。同時，PGOOD 引腳還具有 120μs 的濾波時間和斷言延遲，以防止在負載瞬變時誤觸發。

5.6 過壓保護

當 FB 引腳電壓大于其調節值的 110% 時，LTM4691 的 PMOS 將立即關閉，以保護輸出電路免受過壓損壞。

5.7 軟啟動

LTM4691 具有內部軟啟動功能，在啟動時輸出電壓將按比例跟蹤內部電壓斜坡，防止輸入電源的電流沖擊和輸出電壓過沖。

5.8 短路保護與恢復

當輸出短路時，LTM4691 通過限制電感電流來保護電路。當電感電流超過設定的峰值時，PMOS 將被關閉，后續的開關周期將被跳過，直到電感電流下降到安全范圍內。

六、熱考慮與輸出電流降額

為了防止熱損壞，LTM4691 內置了過熱保護功能。當結溫達到約 165°C 時，兩個功率開關將關閉，直到溫度降至 160°C 才恢復工作。

數據手冊中提供了熱阻參數，可用于有限元分析（FEA）軟件建模。同時，還提供了降額曲線，可根據不同的環境溫度和負載電流來確定最大輸出電流。

七、布局考慮

為了優化 LTM4691 的電氣和熱性能，在 PCB 布局時需要注意以下幾點：

• 使用大面積的 PCB 銅箔作為高電流路徑，包括 (V{IN})、GND 和 (V{OUT})，以減少 PCB 傳導損耗和熱應力。
• 在 (V{IN})、GND 和 (V{OUT}) 引腳附近放置高頻陶瓷輸入和輸出電容，以減少高頻噪聲。
• 在器件下方設置專用的電源接地層。
• 使用多個過孔進行頂層與其他電源層之間的互連，以減少過孔傳導損耗和模塊熱應力。
• 避免在焊盤上直接放置過孔，除非過孔被覆蓋或鍍覆。
• 為連接到信號引腳的組件使用單獨的 SGND 接地銅箔區域，并將 SGND 連接到器件下方的 GND。
• 在信號引腳上引出測試點，以便進行監測。

八、總結

LTM4691 是一款性能出色的雙路 2A 降壓 DC/DC μModule 穩壓器，具有小巧的封裝、高效的性能和豐富的保護功能。在實際設計中，通過合理選擇外部組件、優化 PCB 布局和考慮熱管理，可以充分發揮 LTM4691 的優勢，為各種應用提供穩定可靠的電源解決方案。

你在使用 LTM4691 或其他類似電源模塊時是否遇到過什么問題？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。