LTC3633A/LTC3633A - 1雙路同步降壓調(diào)節(jié)器深度解析與應(yīng)用設(shè)計(jì)

一、引言

在如今的電子設(shè)備中，電源管理模塊至關(guān)重要，它直接影響到設(shè)備的性能、穩(wěn)定性和效率。LTC3633A/LTC3633A - 1雙路同步降壓調(diào)節(jié)器，憑借其出色的性能和廣泛的適用性，成為眾多工程師在電源設(shè)計(jì)中的首選。接下來(lái)，我們就深入探討這款調(diào)節(jié)器的特性、工作原理、應(yīng)用設(shè)計(jì)等方面。

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二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 輸入輸出性能

• 寬輸入電壓范圍：支持3.6V至20V的輸入電壓（LTC3633A絕對(duì)最大輸入電壓可達(dá)20V，LTC3633為16V），能適應(yīng)多種電源場(chǎng)景，如鋰離子電池組供電以及12V或5V的負(fù)載點(diǎn)電源應(yīng)用。
• 高輸出電流能力：每通道可提供3A的輸出電流，滿(mǎn)足大多數(shù)中高功率負(fù)載的需求。

2. 高效節(jié)能

• 高效率轉(zhuǎn)換：最高效率可達(dá)95%，有效降低功耗，提高能源利用率。
• 低占空比運(yùn)行：在2.25MHz時(shí)占空比低至5%，適用于高降壓比的應(yīng)用。

3. 靈活的工作模式

• 相位可選擇：通道間可選擇0°/180°相移，180°相移可降低輸入和輸出電容要求，減少輸入電流的紋波。
• 工作模式可選：用戶(hù)可選擇突發(fā)模式（Burst Mode?）或強(qiáng)制連續(xù)模式，在輕載時(shí)突發(fā)模式能提高效率，強(qiáng)制連續(xù)模式則可提供更低的輸出紋波。

4. 頻率特性

• 可調(diào)開(kāi)關(guān)頻率：開(kāi)關(guān)頻率可在500kHz至4MHz之間調(diào)節(jié)，還能進(jìn)行外部頻率同步，方便與其他電路協(xié)同工作。

5. 保護(hù)與監(jiān)控功能

• 多重保護(hù)：具備短路保護(hù)、過(guò)壓輸入保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)，保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
• 電源狀態(tài)輸出：提供Power Good狀態(tài)輸出，方便監(jiān)控輸出電壓是否正常。

三、工作原理剖析

1. 主控制環(huán)路

在正常工作時(shí)，內(nèi)部頂部功率MOSFET由固定單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器控制導(dǎo)通一段固定時(shí)間。頂部MOSFET關(guān)斷后，底部功率MOSFET導(dǎo)通，直到電流比較器ICMP觸發(fā)，重新啟動(dòng)單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器，開(kāi)始下一個(gè)周期。電感電流通過(guò)檢測(cè)底部功率MOSFET的SW和PGND節(jié)點(diǎn)間的電壓降來(lái)測(cè)量，ITH引腳的電壓設(shè)置比較器閾值對(duì)應(yīng)電感谷值電流。誤差放大器EA通過(guò)比較內(nèi)部0.6V參考電壓和輸出電壓反饋信號(hào)VFB來(lái)調(diào)整ITH電壓。

2. 頻率控制

工作頻率由RT電阻的值決定，它為內(nèi)部振蕩器設(shè)置電流。內(nèi)部鎖相環(huán)會(huì)使開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的導(dǎo)通時(shí)間跟蹤內(nèi)部振蕩器的邊沿，確保恒定的開(kāi)關(guān)頻率。也可將時(shí)鐘信號(hào)施加到MODE/SYNC引腳，使開(kāi)關(guān)頻率與外部源同步，此時(shí)調(diào)節(jié)器默認(rèn)進(jìn)入強(qiáng)制連續(xù)工作模式。

3. 輕載工作模式

在輕載時(shí)，電感電流可能降至零并變?yōu)樨?fù)值。在突發(fā)模式下，電流反向比較器（IREV）檢測(cè)到負(fù)電感電流后會(huì)關(guān)斷底部功率MOSFET，實(shí)現(xiàn)不連續(xù)運(yùn)行，提高效率。兩個(gè)功率MOSFET將保持關(guān)斷，直到ITH電壓高于零電流水平，啟動(dòng)下一個(gè)周期。將MODE/SYNC引腳接地可禁用不連續(xù)模式，強(qiáng)制進(jìn)行連續(xù)同步運(yùn)行。

4. “Power Good”狀態(tài)輸出

當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出電壓偏離調(diào)節(jié)點(diǎn)±8%時(shí)，PGOOD開(kāi)漏輸出將被拉低；當(dāng)輸出電壓回到±5%范圍內(nèi)時(shí)，該狀態(tài)解除。為防止瞬態(tài)或動(dòng)態(tài)VOUT變化時(shí)出現(xiàn)不必要的PGOOD干擾，LTC3633A的PGOOD下降沿有大約40μs的濾波時(shí)間。

5. 輸入過(guò)壓保護(hù)

為保護(hù)內(nèi)部功率MOSFET免受瞬態(tài)電壓尖峰的影響，LTC3633A持續(xù)監(jiān)控每個(gè)VIN引腳的過(guò)壓情況。當(dāng)VIN超過(guò)22.5V時(shí)，對(duì)應(yīng)通道的兩個(gè)功率MOSFET將關(guān)斷，調(diào)節(jié)器停止工作；當(dāng)VIN降至21.5V以下時(shí)，調(diào)節(jié)器立即恢復(fù)正常工作，并執(zhí)行軟啟動(dòng)功能。

6. 異相工作

將PHMODE引腳拉高，可使SW2的下降沿與SW1的下降沿相差180°。這種異相工作方式可有效減少輸入電流脈沖的重疊時(shí)間，降低總RMS輸入電流，從而降低VIN旁路電容的要求，減少電源線上的電壓噪聲。但當(dāng)一個(gè)通道的占空比為50%時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲從一個(gè)通道耦合到另一個(gè)通道的情況，導(dǎo)致一個(gè)或兩個(gè)通道出現(xiàn)頻率抖動(dòng)，可通過(guò)良好的電路板布局來(lái)減輕這種影響。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)指南

1. 外部組件選擇

• 開(kāi)關(guān)頻率編程：開(kāi)關(guān)頻率的選擇需在效率和組件尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。高頻運(yùn)行可使用較小的電感和電容值，但會(huì)增加內(nèi)部柵極電荷損耗；低頻運(yùn)行可提高效率，但需要更大的電感和電容值來(lái)保持低輸出紋波電壓。可通過(guò)將電阻從RT引腳連接到SGND來(lái)編程開(kāi)關(guān)頻率，公式為[R_{R T}=frac{3.2 E^{11}}{f}] ，當(dāng)RT連接到INTVCC時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率默認(rèn)約為2MHz。
• 電感選擇：電感值和工作頻率決定了電感紋波電流，公式為[Delta I{L}=left(frac{V{OUT }}{f cdot L}right)left(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)]。一般選擇紋波電流約為IOUT(MAX)的40%，且不超過(guò)60%。同時(shí)，要確保電感紋波電流的谷值不超過(guò)負(fù)電流限制，避免VOUT充電超過(guò)調(diào)節(jié)水平。對(duì)于較高開(kāi)關(guān)頻率，鐵氧體電感因其低磁芯損耗而更受青睞，但要注意防止飽和。
• CIN和COUT選擇：輸入電容CIN用于過(guò)濾頂部功率MOSFET漏極的梯形波電流，建議選擇低ESR、能承受最大RMS電流的電容，最大RMS電流公式為[RMS =I{OUT(MAX) } frac{sqrt{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN }}] 。輸出電容Cout的選擇由有效串聯(lián)電阻（ESR）和大容量電容決定，ESR用于最小化電壓紋波和負(fù)載階躍瞬變，大容量電容用于確?？刂骗h(huán)路的穩(wěn)定性。輸出紋波可近似為[Delta V{OUT }{L}left(E S R+frac{1}{8 cdot f cdot C{OUT }}right)] ，在負(fù)載階躍時(shí)，輸出電容需瞬態(tài)提供電流支持負(fù)載，可根據(jù)[C{OUT } approx frac{3 cdot Delta{OUT }}{f cdot V_{DROOP }}]初步選擇電容值。
• 其他組件選擇：INTVCC引腳需連接一個(gè)至少1μF的陶瓷去耦電容到地；Boost電容一般選擇0.1μF的陶瓷電容連接在BOOST和SW引腳之間；V2P5引腳作為2.5V線性穩(wěn)壓器輸出，使用時(shí)需用1μF陶瓷電容旁路，不使用時(shí)建議短接到INTVCC。

2. 輸出電壓編程

每個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出電壓由外部電阻分壓器設(shè)置，公式為[V_{OUT }=0.6 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right)] 。選擇較大的R1和R2值可提高零負(fù)載效率，但可能會(huì)因VFB節(jié)點(diǎn)的雜散電容導(dǎo)致噪聲耦合或相移裕度降低。為改善主控制環(huán)路的頻率響應(yīng)，可使用前饋電容CF。

3. 最小關(guān)斷/導(dǎo)通時(shí)間考慮

最小關(guān)斷時(shí)間限制了最大占空比，公式為[D C{(M A X)}=1-f cdotleft(t{O F F(M I N)}+2 cdot t{D E A D}right)] ，若超過(guò)最大占空比，輸出將失去調(diào)節(jié)。避免這種情況的最小輸入電壓為[V{I N(M I N)}=frac{V{OUT }}{1-f cdotleft(t{O F F(M I N)}+2 cdot t{D E A D}right)}] 。最小導(dǎo)通時(shí)間限制了最小占空比，公式為[D C{(MIN)}=left(f cdot t_{ON(MIN)}right)] ，降低工作頻率可緩解最小占空比的限制。

4. 內(nèi)部/外部環(huán)路補(bǔ)償

LTC3633A提供了使用固定內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)或選擇特定外部環(huán)路補(bǔ)償組件的選項(xiàng)。內(nèi)部補(bǔ)償可通過(guò)將ITH引腳連接到INTVCC引腳來(lái)選擇，建議在fSW > 1MHz的應(yīng)用中使用以確保穩(wěn)定性。外部環(huán)路補(bǔ)償可通過(guò)將所需網(wǎng)絡(luò)連接到ITH引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于2MHz的應(yīng)用，220pF和13kΩ的R - C網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)。

5. 瞬態(tài)響應(yīng)檢查

可通過(guò)觀察系統(tǒng)對(duì)負(fù)載階躍的響應(yīng)來(lái)檢查調(diào)節(jié)器環(huán)路的響應(yīng)。當(dāng)配置為外部補(bǔ)償時(shí)，ITH引腳不僅可用于優(yōu)化控制環(huán)路的行為，還提供了一個(gè)直流耦合和交流濾波的閉環(huán)響應(yīng)測(cè)試點(diǎn)?？筛鶕?jù)該引腳的過(guò)沖百分比估算相位裕度和/或阻尼因子。

6. MODE/SYNC操作

MODE/SYNC引腳是一個(gè)多功能引腳，可用于模式選擇和工作頻率同步。浮空或連接到INTVCC可啟用突發(fā)模式，在輕載時(shí)提高效率，但會(huì)增加輸出電壓紋波；將其接地可選擇強(qiáng)制連續(xù)模式，提供最低的固定輸出紋波，但會(huì)降低輕載效率。若檢測(cè)到外部時(shí)鐘信號(hào)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器將進(jìn)入強(qiáng)制連續(xù)模式。

7. 輸出電壓跟蹤和軟啟動(dòng)

用戶(hù)可通過(guò)TRACKSS引腳控制輸出電壓的上升速率。當(dāng)TRACKSS電壓在0至0.6V之間時(shí)，將覆蓋誤差放大器的內(nèi)部0.6V參考輸入，使反饋電壓調(diào)節(jié)到TRACKSS引腳的電壓；當(dāng)TRACKSS高于0.6V時(shí)，跟蹤功能禁用，反饋電壓將調(diào)節(jié)到內(nèi)部參考電壓。可通過(guò)連接外部電容CSS利用內(nèi)部1.4μA的上拉電流源實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，輸出上升時(shí)間和TRACKSS電容的關(guān)系為[t{SS}=43000 Omega cdot C{SS}] 。調(diào)節(jié)器啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)進(jìn)入突發(fā)模式，直到輸出超過(guò)最終值的80%；正常運(yùn)行時(shí)，若輸出降至最終值的10%以下，將自動(dòng)切換到突發(fā)模式。

8. 輸出電源良好指示

LTC3633A的PGOOD輸出由一個(gè)典型值為20Ω的開(kāi)漏下拉器件驅(qū)動(dòng)。當(dāng)輸出電壓在目標(biāo)調(diào)節(jié)點(diǎn)的±5%范圍內(nèi)時(shí)，該器件關(guān)斷，PGOOD引腳電壓通過(guò)外部上拉電阻上升；當(dāng)輸出電壓偏離目標(biāo)調(diào)節(jié)點(diǎn)±8%時(shí)，開(kāi)漏輸出將以20Ω的輸出電阻下拉到地。為防止VOUT瞬態(tài)事件時(shí)PGOOD輸出不必要的變化，有40μs的濾波時(shí)間。

9. 效率考慮

開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的效率等于輸出功率除以輸入功率乘以100%，可通過(guò)分析個(gè)別損耗來(lái)確定效率的限制因素。LTC3633A電路的主要損耗包括I2R損耗、開(kāi)關(guān)損耗和靜態(tài)功率損耗、過(guò)渡損耗和其他損耗。I2R損耗由內(nèi)部開(kāi)關(guān)和外部電感的直流電阻決定；開(kāi)關(guān)和靜態(tài)功率損耗主要來(lái)自?xún)?nèi)部LDO為INTVCC軌供電產(chǎn)生的損耗；其他損耗如過(guò)渡損耗、銅跡線電阻和內(nèi)部負(fù)載電流等也會(huì)影響效率。

10. 熱考慮

LTC3633A需要將封裝的裸露背面金屬（PGND）良好焊接到PCB板上，以提供良好的熱接觸。在大多數(shù)應(yīng)用中，因其高效率和低熱阻，該器件不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多熱量，但在高溫、高VIN、高開(kāi)關(guān)頻率和最大輸出電流負(fù)載的應(yīng)用中，可能會(huì)超過(guò)最大結(jié)溫。用戶(hù)需進(jìn)行熱分析，可根據(jù)公式[T{RISE }=P{D} cdot theta_{JA }]計(jì)算溫度上升。若結(jié)溫接近150°C，兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)將關(guān)斷，直到溫度降至140°C?？赏ㄟ^(guò)使用散熱片或冷卻風(fēng)扇來(lái)降低結(jié)到環(huán)境的熱阻，對(duì)于高功率應(yīng)用，TSSOP封裝可能是更好的選擇。

11. 電路板布局考慮

在進(jìn)行印刷電路板布局時(shí)，需注意以下幾點(diǎn)：

• 輸入電容應(yīng)盡可能靠近VIN和PGND引腳連接。
• 輸出電容Cout和電感L應(yīng)緊密連接，Cout的負(fù)極應(yīng)與PGND和CIN的負(fù)極緊密連接。
• 電阻分壓器應(yīng)連接在Cout的正極和靠近SGND的地線之間，反饋信號(hào)VFB應(yīng)遠(yuǎn)離噪聲源，如SW線，并盡量縮短其走線長(zhǎng)度。RT電阻和環(huán)路補(bǔ)償組件應(yīng)連接到SGND。
• 敏感組件應(yīng)遠(yuǎn)離SW引腳，如RT電阻、補(bǔ)償組件、反饋電阻和INTVCC旁路電容等。
• 優(yōu)先使用接地平面，若沒(méi)有，信號(hào)地和功率地應(yīng)分開(kāi)，并連接到一個(gè)公共的低噪聲參考點(diǎn)，PGND引腳的連接應(yīng)使用最小電阻的走線。
• 所有層的未使用區(qū)域應(yīng)填充銅，以降低功率組件的溫度上升，并將這些銅區(qū)域連接到封裝的裸露背面（PGND）。

五、設(shè)計(jì)實(shí)例

假設(shè)一個(gè)應(yīng)用的規(guī)格為：VIN(MAX) = 13.2V，VOUT1 = 1.8V，VOUT2 = 3.3V，IOUT(MAX) = 3A，IOUT(MIN) = 10mA，f = 2MHz，VDROOP（5%·VOUT）。

• RT電阻選擇：根據(jù)公式計(jì)算2MHz開(kāi)關(guān)頻率對(duì)應(yīng)的RT電阻應(yīng)為160k，最接近的標(biāo)準(zhǔn)值是162k。若對(duì)開(kāi)關(guān)頻率精度要求不高，RT可連接到INTVCC。
• 電感選擇：對(duì)于通道1，計(jì)算得到電感值L1 = 0.64μH，選擇標(biāo)準(zhǔn)值0.68μH；對(duì)于通道2，計(jì)算得到電感值為1μH。
• Cout選擇：根據(jù)電荷存儲(chǔ)要求，通道1選擇47μF的陶瓷電容，通道2選擇22μF的陶瓷電容。
• CIN選擇：計(jì)算得到通道1的RMS輸入電流為1A，通道2為1.3A，每個(gè)VIN輸入使用47μF的陶瓷電容進(jìn)行去耦。
• 反饋電阻選擇：選擇R1和R3為12.1k，計(jì)算得到R2 = 24.2k，R4 = 54.5k。

六、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，如1.8V/2.5V 4MHz降壓調(diào)節(jié)器、3.3V/1.8V順序調(diào)節(jié)器、1.2V/1.8V帶同步跟蹤和6V輸入欠壓鎖定的降壓調(diào)節(jié)器、1.5V 1MHz雙相降壓調(diào)節(jié)器等，這些電路展示了LTC3633A在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用方式。

七、相關(guān)產(chǎn)品對(duì)比

LTC3633A有一些相關(guān)的產(chǎn)品，如LTC3633、LTC3605、LTC3603等，它們?cè)谳斎腚妷悍秶?、輸出電流、開(kāi)關(guān)頻率等方面存在差異。工程師可根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的產(chǎn)品。例如，若需要更高的輸出電流，可選擇LTC3605；若對(duì)輸入電壓范圍有更高要求，可考慮LTC3605A等。

八、總結(jié)

LTC3633A/LTC3633A - 1雙路同步降壓調(diào)節(jié)器以其豐富的特性、靈活的工作模式和可靠的保護(hù)功能，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)中提供了強(qiáng)大的工具。通過(guò)合理選擇外部組件、優(yōu)化電路板布局和進(jìn)行必要的熱分析，能夠充分發(fā)揮該調(diào)節(jié)器的性能，設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們還需根據(jù)具體需求進(jìn)行深入的研究和實(shí)踐，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。大家在使用LTC3633A/LTC3633A - 1的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)一些獨(dú)特的問(wèn)題或者有什么特別的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評(píng)論區(qū)交流分享。