LT8640/LT8640 - 1：高效同步降壓轉換器的卓越之選

在電子工程師的日常設計工作中，選擇一款合適的降壓轉換器至關重要。今天，我們就來深入探討一下 LT8640/LT8640 - 1 這款同步降壓轉換器，看看它究竟有哪些獨特之處。

文件下載：LT8640.pdf

一、產品概述

LT8640/LT8640 - 1 是一款采用 Silent Switcher 架構的同步降壓調節器，旨在最大程度減少 EMI 排放，同時在高達 3MHz 的頻率下實現高效率。它具有超低的 2.5μA 靜態電流，在輸出完全穩壓的情況下，能夠滿足小負載電流應用對高效率的要求。該轉換器允許在高頻下進行高 (V{IN}) 到低 (V{OUT}) 的轉換，最小頂部開關導通時間僅為 30ns。

二、產品特性

（一）低 EMI 與高頻率效率

• Silent Switcher 架構：有效降低 EMI 排放，這對于對電磁干擾敏感的應用來說非常關鍵。
• 高頻高效：在 1MHz 時，12VIN 到 5VOUT 的效率可達 96%；在 2MHz 時，效率可達 95%。
• 寬輸入電壓范圍：3.4V 到 42V 的輸入電壓范圍，適用于多種不同的電源場景。

（二）輸出能力與低靜態電流

• 大電流輸出：最大連續輸出電流為 5A，峰值瞬態輸出電流可達 7A。
• 超低靜態電流：在 Burst Mode? 操作下，靜態電流僅為 2.5μA，且輸出紋波小于 (10 mV_{P - F})。

（三）其他特性

• 快速開關時間：最小開關導通時間為 30ns，能夠快速響應負載變化。
• 低 dropout：在所有條件下，1A 時的 dropout 僅為 100mV。
• 多種工作模式：LT8640 - 1 具有強制連續模式，可根據不同應用需求進行選擇。
• 可調節與同步：開關頻率可在 200kHz 到 3MHz 之間調節和同步。
• 輸出軟啟動與跟蹤：確保輸出電壓平穩上升，避免過沖。
• 小封裝：采用 18 引腳 3mm × 4mm QFN 和側面可焊 QFN 封裝，節省 PCB 空間。
• 汽車級應用：符合 AEC - Q100 標準，適用于汽車應用。

三、引腳配置與功能

（一）引腳配置

該產品的引腳配置經過精心設計，以滿足不同的應用需求。其引腳包括 SYNC/MODE、GND、PG、FB、BIAS、TR/SS、INTVCC、RT、EN/UV、BST、SW、VIN1、VIN2 等。

（二）引腳功能

• BIAS（引腳 1）：當 BIAS 連接到高于 3.1V 的電壓時，內部調節器將從 BIAS 汲取電流，否則從 (V{IN}) 汲取電流。對于 3.3V 到 25V 的輸出電壓，此引腳應連接到 (V{OUT})。
• INTVCC（引腳 2）：內部 3.4V 調節器旁路引腳，為內部功率驅動器和控制電路供電。
• BST（引腳 3）：用于為頂部功率開關提供高于輸入電壓的驅動電壓。
• (V_{IN1})（引腳 4）：需要兩個 1μF 的小輸入旁路電容，分別連接在 (V{IN1}) 和 GND1、(V{IN2}) 和 GND2 之間。
• GND1（引腳 6、7）和 GND2（引腳 10、11）：功率開關接地引腳，必須連接在一起。
• SW（引腳 8、9、21、22）：內部功率開關的輸出引腳，應連接到電感器和升壓電容。
• EN/UV（引腳 14）：低電平時關閉轉換器，高電平時激活。可通過外部電阻分壓器設置輸入電壓閾值。
• RT（引腳 15）：通過連接一個電阻到地來設置開關頻率。
• TR/SS（引腳 16）：輸出跟蹤和軟啟動引腳，允許用戶控制啟動時的輸出電壓上升速率。
• SYNC/MODE（引腳 17）：對于 LT8640，可選擇 Burst Mode 操作、脈沖跳過模式、擴頻模式和同步模式；對于 LT8640 - 1，可選擇 Burst Mode 操作、強制連續模式、擴頻模式和同步模式。
• GND（引腳 18）：接地引腳，連接到系統地和接地平面。
• PG（引腳 19）：內部比較器的開漏輸出，當輸出電壓偏離設定值超過 ±8% 或出現故障時，引腳拉低。
• FB（引腳 20）：調節器將 FB 引腳調節到 0.970V，連接反饋電阻分壓器的抽頭。

四、工作原理

（一）基本工作模式

LT8640/LT8640 - 1 是一款單片、恒定頻率、電流模式的降壓 DC/DC 轉換器。振蕩器通過 RT 引腳的電阻設置頻率，在每個時鐘周期開始時打開內部頂部功率開關。電感器中的電流增加，直到頂部開關電流比較器觸發并關閉頂部功率開關。頂部開關關閉時的峰值電感器電流由內部 VC 節點的電壓控制。誤差放大器通過將 (V_{FB}) 引腳的電壓與內部 0.97V 參考電壓進行比較來調節 VC 節點。當負載電流增加時，反饋電壓相對于參考電壓降低，誤差放大器提高 VC 電壓，直到平均電感器電流與新的負載電流匹配。當頂部功率開關關閉時，同步功率開關打開，直到下一個時鐘周期開始或電感器電流降至零。

（二）不同工作模式

• Burst Mode 操作：在輕負載情況下，為了優化效率，轉換器進入 Burst Mode 操作。在這種模式下，轉換器向輸出電容提供單個小電流脈沖，然后進入睡眠期，此時輸出功率由輸出電容提供。睡眠模式下，轉換器消耗 1.7μA 的電流。隨著輸出負載的降低，單個電流脈沖的頻率降低，轉換器在睡眠模式下的時間百分比增加，從而提高輕負載效率。
• 脈沖跳過模式（僅 LT8640）：時鐘始終保持運行，所有開關周期都與時鐘對齊。在這種模式下，大部分內部電路始終處于工作狀態，靜態電流增加到幾百 μA。與 Burst Mode 操作相比，在較低的輸出負載下即可達到全開關頻率。
• 強制連續模式（僅 LT8640 - 1）：振蕩器連續運行，正 SW 轉換與時鐘對齊。在輕負載或大瞬態條件下，允許負電感器電流。轉換器可以從輸出吸收電流并將電荷返回輸入，改善負載階躍瞬態響應。不過，在輕負載下，強制連續模式的效率低于 Burst Mode 操作或脈沖跳過模式。
• 擴頻模式：通過將 SYNC/MODE 引腳拉高到 (INTVCC) 或 3V 到 4V 的外部電源，可啟用擴頻模式。在這種模式下，使用三角頻率調制來改變開關頻率，從而進一步降低 EMI 排放。

五、應用信息

（一）低 EMI PCB 布局

為了實現最佳性能，LT8640/LT8640 - 1 需要使用多個 (V{IN}) 旁路電容。兩個 1μF 的小電容應盡可能靠近轉換器放置，一個連接到 (V{IN1}/GND1)，另一個連接到 (V{IN2}/GND2)。此外，還應在 (V{IN1}) 或 (V_{IN2}) 附近放置一個 2.2μF 或更大的電容。輸入電容、電感器和輸出電容應放置在電路板的同一側，并且它們的連接應在該層完成。同時，要確保 SW 和 BOOST 節點盡可能小，FB 和 RT 節點也應保持小尺寸，以避免受到 SW 和 BOOST 節點的干擾。

（二）不同工作模式的選擇與應用

• Burst Mode 操作：適用于輕負載應用，可通過使用較大值的電感器（如 4.7μH）來提高輕負載效率。
• 脈沖跳過模式（僅 LT8640）：在某些應用中，需要時鐘始終保持運行，并且在較低輸出負載下達到全開關頻率時可選擇此模式。
• 強制連續模式（僅 LT8640 - 1）：對于需要快速瞬態響應和寬負載范圍內全頻率操作的應用，或者輸出需要吸收電流的應用，可選擇強制連續模式。

（三）元件選擇

• 電感器選擇：電感器的選擇應根據應用的輸出負載要求進行。一個好的初始選擇是 (L = (frac{V{OUT}+V{SW(BOT)}}{f{SW}}) cdot 0.7)，其中 (f{SW}) 是開關頻率，(V{OUT}) 是輸出電壓，(V{SW(BOT)}) 是底部開關壓降。同時，電感器的 RMS 電流額定值應大于應用的最大預期輸出負載，飽和電流額定值應高于負載電流加上 1/2 的電感器紋波電流。
• 輸入電容：(V{IN}) 應使用至少三個陶瓷電容進行旁路。兩個 1μF 的小陶瓷電容應靠近轉換器放置，一個連接到 (V{IN1}/GND1)，另一個連接到 (V{IN2}/GND2)。此外，還應在 (V{IN1}) 或 (V_{IN2}) 附近放置一個 2.2μF 或更大的陶瓷電容。
• 輸出電容：輸出電容的主要作用是濾波和存儲能量。陶瓷電容具有低等效串聯電阻（ESR），可提供良好的紋波性能。選擇 X5R 或 X7R 類型的電容，可提供低輸出紋波和良好的瞬態響應。

六、典型應用

（一）5V 5A 降壓轉換器

輸入電壓范圍為 5.5V 到 42V，開關頻率為 1MHz，使用 3.3μH 的電感器，可實現 5V 5A 的穩定輸出。

（二）3.3V 5A 降壓轉換器

輸入電壓范圍為 3.8V 到 42V，開關頻率為 1MHz，使用 2.2μH 的電感器，可滿足 3.3V 5A 的輸出需求。

七、總結

LT8640/LT8640 - 1 以其卓越的性能、豐富的功能和靈活的應用方式，為電子工程師在降壓轉換器的選擇上提供了一個優秀的解決方案。無論是在汽車、工業電源，還是通用降壓等應用領域，它都能發揮出出色的作用。在實際設計中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇工作模式和元件參數，以充分發揮該轉換器的優勢。

各位工程師朋友們，你們在使用 LT8640/LT8640 - 1 時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你們的經驗和見解。