深入剖析LTC3624/LTC3624 - 2同步降壓調節器
深入剖析LTC3624/LTC3624 - 2同步降壓調節器
引言
在電子設備的電源設計中，高效、穩定的降壓調節器至關重要。LTC3624/LTC3624 - 2作為一款高性能的同步降壓調節器，以其寬輸入電壓范圍、低靜態電流和高轉換效率等特點，在眾多應用場景中得到廣泛應用。本文將對LTC3624/LTC3624 - 2進行詳細剖析，為電子工程師在電源設計中提供參考。
文件下載：LTC3624.pdf
產品概述
LTC3624/LTC3624 - 2是一款高效的17V、2A同步單片降壓調節器。其開關頻率固定為1MHz（LTC3624）或2.25MHz（LTC3624 - 2），且具有±40%的同步范圍。該調節器在寬輸出電壓范圍內具有超低靜態電流和高效率的特點，適用于電池供電設備、便攜式儀器、應急無線電等多種應用場景。
關鍵特性
- 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為2.7V至17V，輸出電壓范圍為0.6V至輸入電壓，能滿足多種不同電源需求。
- 高效率：最高效率可達95%，有效降低功耗，延長電池續航時間。
- 低靜態電流：靜態電流低至3.5μA，零電流關斷功能進一步降低功耗。
- 多種工作模式：支持脈沖跳頻、強制連續和Burst Mode? 等多種工作模式，可根據負載情況靈活選擇，在輕載時提供最高效率，同時可通過選擇不同模式來平衡輸出紋波和效率。
- 同步功能：可同步至外部時鐘，便于系統集成和減少電磁干擾。
- 內部補償和軟啟動：內部補償電路簡化了設計，軟啟動功能可避免啟動時的電流沖擊。
- 過溫保護：內置過溫保護功能，確保在異常情況下設備的安全運行。
電氣特性分析
輸入輸出電壓
輸入電壓范圍為2.7V至17V，輸出電壓可在0.6V至輸入電壓之間調節。對于固定輸出電壓選項，如LTC3624 - 3.3和LTC3624 - 5，輸出電壓精度可達±1%。
靜態電流
在不同工作模式下，靜態電流表現不同。在關斷模式下，輸入靜態電流低至0.1μA；在Burst Mode運行時，為3.5μA；在強制連續模式下，為1.8mA。
開關頻率
LTC3624的開關頻率為1MHz，LTC3624 - 2為2.25MHz，且具有±40%的同步范圍，可根據實際需求進行同步。
其他特性
還具有參考電壓線調節、輸出電壓負載調節、NMOS和PMOS開關泄漏電流、導通電阻等電氣特性，這些特性共同保證了調節器的穩定運行。
工作原理
主控制回路
在正常運行時，時鐘周期開始時頂部功率開關（P溝道MOSFET）導通，電感電流上升至峰值后，頂部功率開關關斷，底部開關（N溝道MOSFET）導通，直至下一個時鐘周期。峰值電流水平由內部補償的ITH電壓控制，誤差放大器將FB電壓與0.6V內部參考電壓進行比較，根據負載電流的變化調整ITH電壓，使平均電感電流與負載電流匹配。
低電流運行模式
- Burst Mode運行：通過將MODE/SYNC引腳連接到INTVCC選擇該模式。在輕載時，即使誤差放大器輸出要求較低，電感峰值電流也至少為800mA。當ITH電壓低于0.2V時，開關進入睡眠模式，此時僅消耗3.5μA的靜態電流，直到外部負載將輸出電壓拉低至調節點以下。
- 脈沖跳頻模式：將MODE/SYNC引腳接地選擇該模式。該模式下電感峰值電流至少為132mA，輸出紋波比Burst Mode運行時低，但效率略低。
強制連續模式運行
將MODE/SYNC電壓設置在1V至VINTVCC - 1.2V之間，可使調節器工作在強制連續模式。在此模式下，無論輸出負載電流如何，開關都會逐周期切換，最小峰值電流設置為 - 266mA，以確保在零輸出負載時也能連續運行。
高占空比/降壓運行
當輸入電源電壓接近輸出電壓時，占空比增加，需要斜率補償來維持固定開關頻率。LTC3624/LTC3624 - 2內部電路可在高占空比下準確維持3A的峰值電流限制。當占空比接近100%時，調節器進入降壓運行狀態，根據所選模式的不同，可在睡眠模式和正常運行模式之間切換，以降低靜態電流。
輸入過壓保護
LTC3624/LTC3624 - 2持續監測VIN引腳的過壓情況，當VIN超過19V時，調節器關閉兩個功率MOSFET，暫停運行；當VIN降至18.5V以下時，調節器立即恢復正常運行，并執行軟啟動功能。
最小導通時間
最小導通時間通常為60ns，在強制連續模式下，LTC3624的最小占空比為6%（FSW = 1MHz），LTC3624 - 2為13.5%（FSW = 2.25MHz）。若違反最小導通時間限制，輸出電壓可能失去調節，此時可選擇Burst Mode或脈沖跳頻模式，或使用較慢的外部時鐘來滿足最小導通時間要求。
低電源運行
LTC3624內置欠壓鎖定電路，當輸入電壓低于2.7V時，調節器關閉。當輸入電壓略高于欠壓閾值時，開關開始基本運行，但由于柵極驅動不足，頂部和底部開關的RDS(ON)會略高于電氣特性中規定的值。
軟啟動
LTC3624/LTC3624 - 2具有1ms的內部軟啟動斜坡，啟動時以脈沖跳頻模式運行，可避免啟動時的電流沖擊。
應用設計要點
輸出電壓編程
對于可調輸出版本，輸出電壓通過外部電阻分壓器設置，公式為 (V_{OUT }=0.6 V cdotleft(1+frac{R 2}{R 1}right)) 。對于固定輸出選項，將FB引腳直接連接到VOUT。
輸入電容選擇
輸入電容用于過濾頂部功率MOSFET漏極的方波電流，應選擇低ESR、能承受最大RMS電流的電容。最大RMS電流計算公式為 (RMS cong I{OUT(MAX) } frac{V{OUT }}{V{IN }} sqrt{frac{V{IN }}{V{OUT }}-1}) ，在 (V{IN }=2 ~V{OUT }) 時達到最大值 (I{RMS } cong frac{I_{OUT }}{2}) 。為確保可靠性，可進一步降額選擇電容或選擇更高溫度額定值的電容，也可并聯多個電容以滿足設計要求。
輸出電容選擇
輸出電容的選擇取決于有效串聯電阻（ESR）和所需的大容量電容，以最小化電壓紋波和負載階躍瞬變，并確保控制回路穩定。輸出紋波計算公式為 (Delta V{OUT }
輸出功率良好指示
當LTC3624/LTC3624 - 2的輸出電壓在調節點的±7.5%范圍內時，PGOOD引腳通過外部電阻拉高；否則，內部開漏下拉器件（280Ω）將PGOOD引腳拉低。為防止瞬態或動態VOUT變化時出現不必要的PGOOD干擾，PGOOD下降沿有大約32個開關周期的消隱延遲。
頻率同步能力
LTC3624/LTC3624 - 2可在±40%的內部編程頻率范圍內同步到外部時鐘，需要2至3個外部時鐘周期來進入同步模式，大約2μs無時鐘信號時，調節器會識別同步信號丟失。進入同步后，立即以外部時鐘頻率運行。
電感選擇
電感值和工作頻率決定了紋波電流，計算公式為 (Delta I{L}=frac{V{OUT }}{f cdot L}left(1-frac{V{OUT }}{V{IN (MAX) }}right)) 。為保證紋波電流不超過指定最大值，電感值應根據 (L=frac{V{OUT }}{f cdot Delta I{L(M A X)}}left(1-frac{V{OUT }}{V{IN(M A X)}}right)) 選擇。不同類型的電感具有不同的特性，如鐵氧體設計在高頻下具有低磁芯損耗，但需注意防止飽和。
效率考慮
開關調節器的效率等于輸出功率除以輸入功率乘以100%，主要損耗源包括 (I^{2} R) 損耗、開關和偏置損耗以及其他損耗。 (I^{2} R) 損耗由內部開關和外部電感的直流電阻產生；開關損耗主要來自MOSFET驅動和控制電流；其他損耗如過渡損耗、銅跡線和內部負載電阻等也會影響效率。
熱條件分析
在大多數應用中，LTC3624/LTC3624 - 2由于其高效率和低熱阻的暴露焊盤DFN封裝，散熱較少。但在高溫、高輸入電壓、高開關頻率和最大輸出電流負載的應用中，可能會超過最大結溫。為避免這種情況，需要進行熱分析，通過計算功率損耗和熱阻來確定結溫，必要時可使用散熱片或強制空氣流動來降低溫度。
電路板布局考慮
在印刷電路板布局時，應確保輸入電容盡可能靠近VIN和GND引腳，輸出電容和電感緊密連接，反饋信號路由遠離噪聲組件和走線，焊接暴露焊盤到GND平面，敏感組件遠離SW引腳，使用接地平面并填充未使用區域的銅以降低功率組件的溫度。
設計示例
以一個應用為例，輸入電壓范圍為10.8V至13.2V，輸出電壓為3.3V，最大輸出電流為2A，開關頻率為2.25MHz。由于效率和靜態電流在500mA和0A電流狀態下都很重要，選擇Burst Mode運行。根據公式計算電感值為1.38μH，選擇1.5μH的電感。輸出電容選擇47μF的陶瓷電容，輸入電容選擇10μF的陶瓷電容，以滿足電流額定值要求。
總結
LTC3624/LTC3624 - 2同步降壓調節器以其豐富的特性和良好的性能，為電子工程師在電源設計中提供了一個優秀的選擇。在實際應用中，工程師需要根據具體需求，合理選擇工作模式、輸入輸出電容、電感等組件，并注意電路板布局和熱管理，以確保調節器的穩定運行和高效性能。你在使用這款調節器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。
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