LTM8002：高效、可靠的降壓μModule穩(wěn)壓器

在電子設計領域，電源管理是一個至關重要的環(huán)節(jié)。一款性能出色的穩(wěn)壓器能夠為系統提供穩(wěn)定的電源，確保設備的正常運行。今天，我們就來深入了解一下凌力爾特（現屬ADI）的LTM8002降壓μModule穩(wěn)壓器。

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一、產品概述

LTM8002是一款40V輸入、2.5A的降壓μModule（電源模塊）穩(wěn)壓器。它將開關控制器、功率開關、電感器以及所有支持組件集成在一個緊湊的封裝中，為用戶提供了一個完整的降壓開關模式電源解決方案。

1. 主要特性

• 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為3.4V至40V，輸出電壓范圍為0.97V至18V，能夠滿足多種應用場景的需求。
• 低噪聲Silent Switcher架構：有效降低了電源產生的噪聲，提高了系統的穩(wěn)定性和可靠性。
• 寬溫度范圍：H級版本可在 -40°C至150°C的溫度范圍內正常工作，適應各種惡劣環(huán)境。
• 高輸出電流：在特定條件下，如5V輸出、12V輸入、2MHz開關頻率、105°C環(huán)境溫度（H級）時，可提供2.8A的連續(xù)電流，峰值電流可達3.5A。
• FMEA合規(guī)引腳布局：即使相鄰引腳短路或引腳浮空，輸出電壓仍能保持在或低于調節(jié)電壓，增強了系統的安全性。
• 可選開關頻率：開關頻率可在200kHz至3MHz之間選擇，用戶可以根據實際需求進行靈活調整。
• 外部同步功能：支持與外部時鐘同步，方便系統的整體設計。
• 低靜態(tài)電流：5V輸出時，靜態(tài)電流僅為25μA，有助于降低系統功耗。
• 可編程軟啟動：通過外部電容實現軟啟動功能，減少啟動時的電流沖擊。
• 緊湊封裝：采用6.25mm × 6.25mm × 2.22mm的BGA封裝，體積小巧，適合高密度負載點調節(jié)。

2. 應用領域

• 汽車電池調節(jié)：為汽車電子設備提供穩(wěn)定的電源。
• 便攜式產品電源：滿足便攜式設備對電源體積和效率的要求。
• 分布式電源調節(jié)：在分布式電源系統中發(fā)揮重要作用。
• 工業(yè)電源：適用于各種工業(yè)設備的電源供應。
• 墻式變壓器調節(jié)：對墻式變壓器輸出的電壓進行調節(jié)。

二、電氣特性

1. 輸入輸出電壓

LTM8002的輸入電壓范圍為3.4V至40V，輸出電壓可通過一個外部電阻在0.97V至18V之間進行編程。不同的輸出電壓對應不同的電阻值，具體可參考數據手冊中的表格。

2. 輸出電流

峰值輸出直流電流可達3.5A，連續(xù)電流則取決于內部工作溫度。在實際應用中，需要根據具體的工作條件和散熱情況來確定最大負載電流。

3. 靜態(tài)電流

在不同的工作模式下，LTM8002的靜態(tài)電流有所不同。例如，當RUN引腳為0V、BIAS引腳為0V、無負載、SYNC引腳為0V且不進行開關操作時，流入VIN的靜態(tài)電流為3μA；當BIAS引腳為5V、RUN引腳為0V、無負載、SYNC引腳為0V且不進行開關操作時，流入BIAS的靜態(tài)電流為1μA。

4. 電壓調節(jié)

LTM8002具有良好的線性調節(jié)和負載調節(jié)性能。在5.5V < VIN < 36V、IOUT = 1A的條件下，線性調節(jié)率為0.5%；在0.1A < IOUT < 2.5A的條件下，負載調節(jié)率為0.5%。

5. 開關頻率

開關頻率可通過連接在RT引腳和地之間的電阻進行編程。不同的電阻值對應不同的開關頻率，用戶可以根據實際需求選擇合適的電阻。

三、典型性能特性

1. 效率

LTM8002在不同的輸入電壓、輸出電壓和負載電流下具有不同的效率表現。從數據手冊中的典型性能曲線可以看出，在大多數情況下，其效率都能達到較高水平，尤其是在輕負載時，通過自動切換到Burst Mode（突發(fā)模式），能夠進一步提高效率，降低功耗。

2. 輸入與負載電流關系

輸入電流與負載電流之間存在一定的關系，具體取決于輸入電壓、輸出電壓和開關頻率等因素。通過觀察典型性能曲線，我們可以了解在不同條件下輸入電流隨負載電流的變化情況，從而為電源設計提供參考。

3. 降額曲線

降額曲線展示了在不同環(huán)境溫度下，LTM8002能夠提供的最大負載電流。隨著環(huán)境溫度的升高，最大負載電流會逐漸降低。因此，在設計系統時，需要根據實際的工作環(huán)境溫度來合理選擇LTM8002的工作參數，確保其在安全范圍內運行。

四、引腳功能

1. GND（銀行1，A7）

將這些GND引腳連接到LTM8002下方的局部接地平面以及電路組件。在大多數應用中，LTM8002的大部分熱量通過這些引腳散發(fā)出去，因此印刷電路板的設計對其熱性能有很大影響。

2. VIN（C6，C7）

VIN為LTM8002的內部穩(wěn)壓器和內部功率開關提供電流。這些引腳必須使用外部低ESR電容進行局部旁路，具體電容值可參考數據手冊中的推薦值。

3. VOUT（銀行2）

功率輸出引腳。在這些引腳和GND引腳之間連接輸出濾波電容和輸出負載。

4. BIAS（引腳F1，F2）

BIAS引腳連接到內部電源總線。應連接到大于3.2V且小于18V的電源。如果VOUT大于3.2V，則將此引腳連接到VOUT；如果輸出電壓較低，則將其連接到3.2V至18V之間的電壓源。如果BIAS的電壓源較遠，則需要使用至少1μF的電容進行去耦。如果不使用此引腳，則將其連接到GND。

5. RUN（引腳B6，B7）

將RUN引腳拉至0.9V以下可關閉LTM8002；將其連接到1.06V或更高電壓可正常工作。如果不使用關機功能，則將此引腳連接到VIN引腳。

6. RT（引腳A5，A6）

RT引腳用于通過連接一個電阻到地來編程LTM8002的開關頻率。數據手冊的應用信息部分提供了一個表格，可根據所需的開關頻率確定電阻值。應盡量減少此引腳的電容，不要驅動此引腳。

7. SYNC（引腳A3，B3）

外部時鐘同步輸入和操作模式引腳。此引腳可編程四種不同的操作模式：

• Burst Mode：將此引腳連接到地，在低輸出負載時進入Burst Mode操作，可實現超低靜態(tài)電流。
• 脈沖跳過模式：讓此引腳浮空，進入脈沖跳過模式。該模式在低輸出負載時仍能保持全頻率操作，直到出現脈沖跳過。
• 擴頻模式：將此引腳拉高至2.9V至4.2V之間，進入帶有擴頻調制的脈沖跳過模式。
• 同步模式：用時鐘源驅動此引腳，與外部頻率同步。同步期間，器件將以脈沖跳過模式運行。

8. PG（引腳A2，B2）

PG引腳是內部比較器的開集輸出。當FB引腳電壓在最終調節(jié)電壓的約10%范圍內時，PG保持低電平。當VIN高于3.4V時，PG信號有效。如果VIN高于3.4V且RUN為低電平，則PG將驅動為低電平。如果不使用此功能，則讓此引腳浮空。

9. FB（引腳E1，E2，僅可調版本）

LTM8002將其FB引腳調節(jié)到0.97V。從該引腳連接一個調節(jié)電阻到地，電阻值RFg由公式RFg = 97 / (VOUT - 0.97)（RFg單位為kΩ）給出。

10. TR/SS（引腳A4，B4）

TR/SS引腳用于提供軟啟動或跟蹤功能。內部2μA上拉電流與連接到該引腳的外部電容相結合，產生一個電壓斜坡，輸出電壓將跟蹤該電壓。對于跟蹤功能，可從被跟蹤的輸出連接一個電阻分壓器到該引腳。在關機和故障條件下，該引腳通過內部MOSFET拉至地；如果從低阻抗輸出驅動該引腳，需要使用一個串聯電阻。如果不需要跟蹤功能，則可讓該引腳浮空。

11. NC（引腳B5，C5，D5，D6，D7）

這些引腳未連接到任何其他網絡或彼此之間。

五、工作原理

LTM8002是一個獨立的非隔離降壓開關DC/DC電源，能夠提供高達3.5A的電流。它通過一個外部電阻對輸出電壓進行精確調節(jié)，范圍從0.97V到18V。輸入電壓范圍為3.4V到40V，在使用時需要確保輸入電壓足夠高，以支持所需的輸出電壓和負載電流。

1. 內部結構

LTM8002包含一個電流模式控制器、功率開關元件、功率電感器以及適量的輸入和輸出電容。它是一個固定頻率的PWM穩(wěn)壓器，開關頻率通過將適當的電阻值從RT引腳連接到GND來設置。

2. 偏置電源

內部穩(wěn)壓器為控制電路提供電源。該偏置穩(wěn)壓器通常從VIN引腳獲取電源，但如果BIAS引腳連接到高于2.9V的外部電壓，則偏置電源將從外部源（通常是調節(jié)后的輸出電壓）獲取，從而提高效率。

3. 關機功能

RUN引腳用于將LTM8002置于關機狀態(tài)，斷開輸出并將輸入電流降低到幾μA。

4. 突發(fā)模式

為了提高輕負載時的效率，LTM8002在輕負載或無負載情況下自動切換到Burst Mode操作。在突發(fā)之間，與控制輸出開關相關的所有電路都被關閉，將輸入電源電流降低到僅幾μA。

5. 頻率折返

當FB引腳的電壓較低時，振蕩器會降低LTM8002的工作頻率。這種頻率折返有助于在啟動和過載時控制輸出電流。

6. 軟啟動和跟蹤功能

TR/SS節(jié)點作為誤差放大器的輔助輸入。FB引腳的電壓會跟蹤TR/SS引腳的電壓，直到TR/SS引腳的電壓超過0.97V。通過使用外部電容在TR/SS引腳產生電壓斜坡來實現軟啟動，以減少輸入電源的電流沖擊。此外，TR/SS引腳還可以通過信號源或電阻網絡驅動，實現輸出跟蹤功能。

7. 電源良好信號

LTM8002包含一個電源良好比較器，當FB引腳的電壓在其調節(jié)值的約90%至110%之間時觸發(fā)。PG輸出是一個開漏晶體管，當輸出處于調節(jié)狀態(tài)時關閉，允許外部電阻將PG引腳拉高。當VIN高于3.4V時，PG信號有效。

8. 熱關斷

LTM8002配備了熱關斷功能，在高結溫時禁止功率開關。該功能的激活閾值高于最大溫度額定值，以避免干擾正常操作。長時間或重復在熱關斷激活的條件下運行可能會損壞器件或降低其可靠性。

六、應用信息

1. 設計流程

對于大多數應用，設計過程相對簡單，可按以下步驟進行：

• 查看數據手冊中的表1，找到所需的輸入范圍和輸出電壓對應的行。
• 應用推薦的CIN、COUT、RFB等組件值。
• 根據需要應用CFF（從Vout到FB）。
• 按照指示連接BIAS。

需要注意的是，雖然這些組件組合已經過測試，但用戶仍需在預期的系統線路、負載和環(huán)境條件下驗證其正常運行。同時，最大輸出電流受結溫、輸入輸出電壓大小和極性以及其他因素的限制，可參考典型性能特性部分的圖表進行設計。

2. 組件選擇

電容選擇

表1中給出的CIN和COUT電容值是相關操作條件下的最小推薦值。不建議使用低于表中指示的電容值，否則可能導致不良操作。在必要時，使用更大的電容值通常是可以接受的，并且可以提高動態(tài)響應。

陶瓷電容具有體積小、堅固且ESR低的優(yōu)點，但并非所有陶瓷電容都適合。X5R和X7R類型在溫度和施加電壓方面具有穩(wěn)定性，能提供可靠的服務；而Y5V和Z5U等類型的電容具有較大的溫度和電壓系數，在應用電路中可能只有其標稱電容的一小部分，導致輸出電壓紋波比預期高。

此外，陶瓷電容具有壓電特性，在Burst Mode操作中，LTM8002的開關頻率取決于負載電流，可能會在音頻頻率下激發(fā)陶瓷電容，產生可聽噪聲。如果這種可聽噪聲不可接受，可以在輸出端使用高性能電解電容，也可以是陶瓷電容和低成本電解電容的并聯組合。

頻率選擇

LTM8002采用恒定頻率PWM架構，可通過將電阻從RT引腳連接到地來編程200kHz至3MHz的開關頻率。表2提供了RT電阻值及其對應的頻率列表。

在選擇頻率時，建議用戶根據輸入和輸出操作條件應用表1中給出的最佳RT值。但由于系統級或其他考慮因素，可能需要選擇其他操作頻率。需要注意的是，隨意選擇的頻率可能會在某些操作或故障條件下導致不良操作。頻率過高可能會降低效率、產生過多熱量，甚至在輸出過載或短路時損壞LTM8002；頻率過低可能會導致最終設計的輸出紋波過大或輸出電容過大。

BIAS引腳考慮

BIAS引腳用于為內部功率開關級提供驅動電源并操作其他內部電路。為了正常工作，它必須由至少2.9V的電源供電。如果輸出電壓編程為2.9V或更高，則可以將BIAS簡單地連接到Vout；如果VOUT小于2.9V，則可以將BIAS連接到VIN或其他電壓源。如果BIAS引腳電壓過高，LTM8002的效率可能會受到影響。最佳BIAS電壓取決于許多因素，如負載電流、輸入電壓、輸出電壓和開關頻率等。在所有情況下，都要確保BIAS引腳的最大電壓小于19V。如果BIAS電源來自遠程或嘈雜的電壓源，可能需要在該引腳局部應用一個去耦電容，1μF的陶瓷電容效果較好。如果不使用BIAS引腳，則將其連接到LTM8002的GND。

最大負載

LTM8002的額定連續(xù)負載為2.5A，但實際能夠驅動的最大連續(xù)負載取決于內部電流限制和內部溫度。內部電流限制旨在防止在過載或短路情況下損壞LTM8002。LTM8002的內部溫度取決于環(huán)境溫度、輸出功率和系統的散熱能力等操作條件。例如，在環(huán)境溫度控制在低于85°C的情況下，LTM8002H配置為調節(jié)到1.2V時，可從12VIN連續(xù)提供3.5A的電流；而當輸出電壓為18V且環(huán)境溫度為100°C時，LTM8002H從36VIN最多只能提供0.6A的電流。

負載共享

LTM8002不設計用于負載共享。如果需要更大的負載電流，可以考慮使用LTM8003。

突發(fā)模式操作

為了提高輕負載時的效率，LTM8002自動切換到Burst Mode操作。在Burst Mode操作期間，LTM8002向輸出電容提供單周期電流脈沖，然后進入睡眠期，此時大部分內部電路斷電，負載由輸出電容供電。在睡眠期間，VIN和BIAS的靜態(tài)電流大大降低，隨著負載電流向無負載條件下降，LTM8002在睡眠模式下的運行時間百分比增加，平均輸入電流大大降低，從而提高了輕負載效率。通過將SYNC引腳連接到GND可以啟用Burst Mode操作。

最小輸入電壓

LTM8002是一個降壓轉換器，因此需要一定的最小電壓裕量來保持輸出調節(jié)。輸入電壓應保持在3.4V以上，以確保正常操作。電壓瞬變或紋波谷值導致輸入電壓低于3.4V可能會關閉LTM8002。

輸出電壓跟蹤和軟啟動

LTM8002允許用戶通過TR/SS引腳調整其輸出電壓斜坡率。內部2μA電流將TR/SS引腳拉高至約2.4V。在TR/SS引腳上放置一個外部電容可以實現輸出軟啟動，以減少輸入電源的電流沖擊。在軟啟動斜坡期間，輸出電壓將成比例地跟蹤TR/SS引腳的電壓。對于輸出跟蹤應用，TR/SS引腳可以由另一個電壓源外部驅動。從0V到0.97V，TR/SS引腳的電壓將覆蓋誤差放大器的內部0.97V參考輸入，從而將FB引腳電壓調節(jié)到TR/SS引腳的電壓。當TR/SS引腳電壓高于0.97V時，跟蹤功能禁用，反饋電壓將調節(jié)到內部參考電壓。如果不需要該功能，則可以讓TR/SS引腳浮空。一個有源下拉電路連接到TR