LTC7138：高電壓降壓調(diào)節(jié)器的卓越之選

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理始終是一個(gè)關(guān)鍵且富有挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。對(duì)于需要應(yīng)對(duì)高電壓輸入和多樣化負(fù)載需求的應(yīng)用，一款高效、可靠的降壓調(diào)節(jié)器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討凌力爾特（現(xiàn)屬ADI）的LTC7138高電壓降壓調(diào)節(jié)器，看看它在實(shí)際應(yīng)用中能為我們帶來(lái)哪些驚喜。

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產(chǎn)品概述

LTC7138是一款高效的降壓型DC/DC調(diào)節(jié)器，集成了內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)。其典型直流電源電流僅為12μA，即便在無(wú)負(fù)載情況下也能維持穩(wěn)定的輸出電壓。它能夠提供高達(dá)400mA的負(fù)載電流，并且具備可編程的峰值電流限制功能，這一特性為優(yōu)化效率、降低輸出紋波以及減小元件尺寸提供了簡(jiǎn)單而有效的方法。

核心特性解析

1. 寬輸入電壓范圍：支持4V至140V的寬輸入電壓范圍，這使得LTC7138能夠適應(yīng)各種不同的電源環(huán)境，無(wú)論是電池供電的便攜式設(shè)備，還是工業(yè)級(jí)的高壓電源系統(tǒng)，它都能穩(wěn)定工作。
2. 低靜態(tài)電流：僅12μA的低靜態(tài)電流，在輕負(fù)載或待機(jī)模式下能顯著降低功耗，提高系統(tǒng)的整體效率和電池續(xù)航能力。
3. 可編程輸出電流：輸出電流可在100mA至400mA范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求靈活設(shè)置，實(shí)現(xiàn)最佳的性能和效率平衡。
4. 無(wú)需補(bǔ)償：這一特性簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，減少了外部元件的使用，降低了設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜度。
5. 寬輸出電壓范圍：輸出電壓范圍為0.8V至輸入電壓，能夠滿(mǎn)足多種不同的負(fù)載需求。

工作原理

突發(fā)模式（Burst Mode）控制

LTC7138采用突發(fā)模式控制，將低靜態(tài)電流與高開(kāi)關(guān)頻率相結(jié)合。在輕負(fù)載時(shí)，它會(huì)以短“突發(fā)”周期切換內(nèi)部功率MOSFET中的電感電流，隨后進(jìn)入睡眠周期。在睡眠周期中，功率開(kāi)關(guān)關(guān)閉，負(fù)載電流由輸出電容器提供，此時(shí)LTC7138僅消耗12μA的電源電流。這種工作模式大大降低了平均電源電流，顯著提高了輕負(fù)載時(shí)的效率。

主控制回路

通過(guò)VPRG1和PRG2控制引腳，LTC7138可以將內(nèi)部反饋電阻連接到VFB引腳，從而實(shí)現(xiàn)1.8V、3.3V或5V的固定輸出，無(wú)需額外增加元件數(shù)量、輸入電源電流或擔(dān)心反饋比較器敏感輸入端的噪聲問(wèn)題。在可調(diào)模式下，反饋比較器會(huì)監(jiān)測(cè)VFB引腳的電壓，并將其與內(nèi)部800mV參考電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

啟動(dòng)與關(guān)斷

當(dāng)RUN引腳電壓低于0.7V時(shí)，LTC7138進(jìn)入關(guān)斷模式，所有內(nèi)部電路禁用，直流電源電流降至1.4μA；當(dāng)RUN引腳電壓超過(guò)1.21V時(shí)，主控制回路正常工作。RUN引腳比較器具有110mV的內(nèi)部遲滯，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定啟動(dòng)和關(guān)斷。此外，內(nèi)部1ms軟啟動(dòng)功能可限制啟動(dòng)時(shí)輸出電壓的上升速率，防止輸入電源出現(xiàn)過(guò)度壓降。

峰值電感電流編程

峰值電流比較器通常將峰值電感電流限制在610mA。通過(guò)在ISET引腳與地之間連接一個(gè)電阻，可以調(diào)節(jié)峰值電感電流。ISET引腳輸出的5μA電流通過(guò)電阻產(chǎn)生的電壓會(huì)調(diào)整峰值電流比較器的閾值，谷值電流閾值通常為峰值電流的60%。在睡眠模式下，ISET引腳的輸出電流降至1μA，以提高效率。

降壓工作模式

當(dāng)輸入電源電壓接近輸出電源電壓時(shí)，占空比會(huì)增加以維持輸出電壓的穩(wěn)定。LTC7138中的P溝道MOSFET開(kāi)關(guān)允許占空比達(dá)到100%，此時(shí)P溝道MOSFET持續(xù)導(dǎo)通，提供等于峰值電流的輸出電流。

輸入電壓與過(guò)溫保護(hù)

為了確保產(chǎn)品的安全性和可靠性，LTC7138具備輸入電壓和過(guò)溫保護(hù)功能。當(dāng)結(jié)溫達(dá)到約180°C時(shí)，會(huì)進(jìn)入熱關(guān)斷模式；當(dāng)輸入電壓不在可編程的工作范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)禁止開(kāi)關(guān)操作。輸入電源的欠壓或過(guò)壓事件會(huì)觸發(fā)軟啟動(dòng)復(fù)位，確保系統(tǒng)從輸入電源瞬變中平穩(wěn)恢復(fù)。

應(yīng)用信息

外部元件選擇

1. 最大輸出電流：最大平均輸出電流由峰值電流和谷值電流的跳閘閾值決定。通過(guò)調(diào)整ISET引腳的電阻，可以將峰值電流閾值降低到最低140mA，從而為低電流應(yīng)用優(yōu)化效率和元件選擇。對(duì)于需要超過(guò)400mA輸出電流的應(yīng)用，可以使用FBO引腳將多個(gè)LTC7138并聯(lián)連接。
2. 電感選擇：對(duì)于LTC7138，較高的電感值可以降低開(kāi)關(guān)頻率，從而減少開(kāi)關(guān)損耗，但會(huì)增加直流電阻并降低飽和電流。因此，在滿(mǎn)足電路板面積和飽和電流要求的前提下，選擇較大的電感值通常能獲得最高效率。同時(shí)，要注意電感的最小開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間限制，避免電感電流出現(xiàn)過(guò)度過(guò)沖。
3. 續(xù)流二極管選擇：續(xù)流二極管在開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間導(dǎo)通電流。為了實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)載時(shí)的高效率，應(yīng)選擇反向恢復(fù)時(shí)間短、正向壓降小的續(xù)流二極管。肖特基二極管常用于此目的，但在睡眠模式下，其較高的泄漏電流可能會(huì)影響輕載效率。因此，在某些應(yīng)用中，也可以考慮使用硅二極管。
4. 輸入和輸出電容選擇：輸入電容CIN用于過(guò)濾高端MOSFET源極的梯形電流，應(yīng)選擇較大的值以確保在磁化電感時(shí)不會(huì)導(dǎo)致輸入電壓大幅下降。輸出電容COUT用于過(guò)濾電感的紋波電流，并在LTC7138處于睡眠狀態(tài)時(shí)存儲(chǔ)能量以滿(mǎn)足負(fù)載電流需求。應(yīng)根據(jù)輸出電壓紋波和電感能量存儲(chǔ)要求選擇合適的電容值。

輸出電壓編程

LTC7138具有三種固定輸出電壓模式（1.8V、3.3V、5V）和一種可調(diào)模式，可通過(guò)VPRG1和VPRG2引腳進(jìn)行選擇。固定輸出模式使用內(nèi)部反饋分壓器，可提高效率、增強(qiáng)抗噪能力并降低輸出電壓紋波。在可調(diào)模式下，輸出電壓由外部電阻分壓器根據(jù)公式 (V_{OUT }=0.8 V cdotleft(1+frac{R 1}{R 2}right)) 設(shè)定。

運(yùn)行引腳和過(guò)壓/欠壓鎖定

RUN引腳可控制LTC7138的低功耗關(guān)斷模式。將RUN引腳拉低至0.7V以下，LTC7138進(jìn)入低靜態(tài)電流關(guān)斷模式；當(dāng)RUN引腳電壓大于1.21V時(shí)，開(kāi)關(guān)操作啟用。此外，RUN和OVLO引腳可以通過(guò)一個(gè)電阻分壓器配置為對(duì)VIN電源進(jìn)行精確的欠壓和過(guò)壓鎖定。

軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)通過(guò)將有效參考電壓從0V逐漸升至0.8V來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)在SS引腳與地之間連接一個(gè)電容，可以增加軟啟動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。內(nèi)部5μA上拉電流會(huì)對(duì)該電容充電，電容值可根據(jù)公式 (C_{SS}= Soft - Start Time cdot frac{5 mu A}{0.8 V}) 計(jì)算。

優(yōu)化輸出電壓紋波

在選擇了滿(mǎn)足負(fù)載電流和頻率要求的峰值電流電阻和電感后，可以在R ISET上并聯(lián)一個(gè)可選電容C ISET，以減少輸出電壓紋波對(duì)負(fù)載電流的依賴(lài)性。

大電流應(yīng)用

對(duì)于需要超過(guò)400mA輸出電流的應(yīng)用，LTC7138提供了反饋比較器輸出引腳（FBO），用于驅(qū)動(dòng)額外的LTC7138。將主LTC7138的FBO引腳連接到一個(gè)或多個(gè)從LTC7138的VFB引腳，主器件可以控制從器件的突發(fā)周期，從而實(shí)現(xiàn)輸出電流的疊加。

熱考慮

在大多數(shù)應(yīng)用中，由于LTC7138的高效率，其散熱較少。但在高溫環(huán)境、低電源電壓和高占空比的情況下，如降壓模式，散熱可能會(huì)超過(guò)器件的最大結(jié)溫。因此，需要進(jìn)行熱分析以確保器件的安全運(yùn)行。

引腳間距/爬電距離考慮

LTC7138 MSE封裝經(jīng)過(guò)獨(dú)特設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足高電壓間距和爬電距離要求。引腳2、4、13和15被省略，以增加相鄰高壓焊盤(pán)（VIN、SW和RUN）之間的間距，滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用的需求。

典型應(yīng)用案例

12V/400mA汽車(chē)電源

在汽車(chē)電子系統(tǒng)中，電源的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。LTC7138憑借其寬輸入電壓范圍和高效的性能，能夠很好地滿(mǎn)足汽車(chē)電源的需求。在這個(gè)應(yīng)用中，輸入電壓范圍為4V至140V，輸出電壓為12V，輸出電流為400mA。通過(guò)合理選擇外部元件，如電感、電容和續(xù)流二極管，可以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換。

4V至90V輸入到12V/800mA輸出調(diào)節(jié)器

對(duì)于需要更高輸出電流的應(yīng)用，可以將多個(gè)LTC7138并聯(lián)使用。在這個(gè)例子中，使用兩個(gè)LTC7138實(shí)現(xiàn)了4V至90V輸入到12V/800mA的輸出調(diào)節(jié)。通過(guò)主從配置，主LTC7138的FBO引腳控制從LTC7138的工作，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

總結(jié)

LTC7138作為一款高性能的高電壓降壓調(diào)節(jié)器，憑借其寬輸入電壓范圍、低靜態(tài)電流、可編程輸出電流等諸多特性，在工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、分布式電源系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)合理選擇外部元件和優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，我們可以充分發(fā)揮LTC7138的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源管理解決方案。各位工程師在實(shí)際項(xiàng)目中遇到高電壓降壓的需求時(shí)，不妨考慮一下LTC7138，相信它會(huì)給你帶來(lái)意想不到的效果。你在使用降壓調(diào)節(jié)器的過(guò)程中遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。