LT3686A：高效降壓調節器的卓越之選

在電子工程師的設計工作中，選擇一款合適的降壓調節器至關重要。今天，我們就來深入了解一下Linear Technology的LT3686A降壓調節器，看看它有哪些獨特的特性和優勢。

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一、產品概述

LT3686A是一款電流模式PWM降壓DC/DC轉換器，內置功率開關。其輸入電壓范圍寬達3.6V至37V，這使得它能夠適應各種電源，如24V工業電源和汽車電池。高最大頻率允許使用小型電感和電容，從而實現非常小的解決方案。此外，其工作頻率高于AM頻段，避免了對無線電接收的干擾，特別適用于汽車應用。

二、主要特性

（一）寬輸入范圍與過壓鎖定保護

它能在3.6V至37V的輸入電壓下正常工作，并且具備過壓鎖定保護功能，可承受高達60V的瞬態電壓，為電路提供了可靠的保護。

（二）低最小導通時間

能夠在2MHz的頻率下將16V輸入轉換為3.3V輸出，展現出出色的轉換能力。

（三）1.2A輸出電流

可以滿足大多數應用的功率需求。

（四）可調頻率

頻率范圍為300kHz至2.5MHz，可根據具體應用需求進行調整。在輕負載時能保持恒定的開關頻率，還能與外部時鐘同步。

（五）其他特性

具備跟蹤和軟啟動功能，可避免啟動時的輸入電流浪涌；高精度欠壓鎖定（UVLO）；短路保護能力強；關機時靜態電流小于1μA；內部補償和熱增強型MSOP及3mm × 3mm DFN封裝，減少了外部元件數量。

三、引腳功能

（一）VIN（引腳1/2）

為LT3686A的內部穩壓器和內部功率開關提供電流，該引腳必須進行本地旁路。

（二）BD（引腳2/3）

當SYNC/MODE引腳由時鐘脈沖驅動或連接到大于0.8V的電壓時，LT3686A可通過調節BD引腳上的有源負載來防止輕負載時的脈沖跳躍。

（三）FB（引腳3/4）

LT3686A將其反饋引腳調節到0.8V，通過連接反饋電阻分壓器抽頭到該引腳，可根據公式 (R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{0.8 V}-1right)) 設置輸出電壓，建議R2取值為10k。

（四）SS（引腳4/5）

提供軟啟動和跟蹤功能。內部2μA電流源連接到2.5V參考電壓，為外部電容充電，產生電壓斜坡。反饋電壓和開關頻率都跟蹤SS電壓，當反饋電壓達到0.8V時停止跟蹤。在UVLO、OVLO和熱關斷條件下，SS引腳會復位。若不使用軟啟動功能，可將該引腳浮空。

（五）RT（引腳5/6）

用于編程振蕩器頻率，可根據數據手冊應用部分的表1選擇RT電阻的值。

（六）EN/UVLO（引腳6/7）

用于啟動LT3686A，將該引腳拉至0.4V以下可使器件關機。1.28V閾值可作為精確的欠壓鎖定（UVLO），防止穩壓器在輸入電壓達到編程水平之前工作。注意不要將EN/UVLO引腳驅動到高于VIN的電壓。

（七）SYNC/MODE（引腳7/8）

用于將LT3686A的內部振蕩器與外部信號同步，同步信號的脈沖寬度至少為200ns的開和關時間。同時，該引腳還作為BD有源負載的模式選擇引腳，當驅動脈沖或連接到高于0.8V的電壓時，可防止輕負載時的脈沖跳躍；將其連接到低于0.4V可禁用有源負載。

（八）BOOST（引腳8/9）

為內部雙極NPN功率開關提供高于輸入電壓的驅動電壓。

（九）DA（引腳9/10）

將續流二極管（D1）的陽極連接到該引腳。

（十）SW（引腳10/11, 12）

是內部功率開關的輸出，應連接到電感、續流二極管和升壓電容。

（十一）GND（外露焊盤引腳11/引腳1, 外露焊盤引腳13）

是器件的唯一接地連接，外露焊盤應焊接到大面積銅區域以降低熱阻。

四、工作原理

（一）啟動與鎖定

EN/UVLO引腳用于將LT3686A置于關機狀態，其1.28V閾值可通過外部電阻分壓器（R4, R5）編程來禁用器件。當EN/UVLO引腳驅動到高于1.28V時，內部穩壓器為控制電路供電，該穩壓器包含過壓和欠壓鎖定功能，可防止在VIN大于37V或小于3.6V時進行開關操作。

（二）跟蹤軟啟動

通過SS引腳向外部軟啟動電容（C4）提供恒定電流，產生電壓斜坡，實現跟蹤軟啟動。FB電壓在達到0.8V之前跟蹤SS引腳電壓，之后調節到參考0.8V。軟啟動還可降低振蕩器頻率，避免啟動時達到電流限制。在過壓、欠壓、熱關斷和啟動等故障事件中，SS電容會復位。

（三）振蕩與開關控制

振蕩器由電阻RT編程，設置RS觸發器，開啟內部1.2A功率開關Q1。放大器和比較器監測VIN和SW引腳之間的電流，當電流達到由VC節點電壓確定的水平時，關閉開關。誤差放大器通過連接到FB引腳的外部電阻分壓器測量輸出電壓，并調節VC節點。若誤差放大器輸出增加，輸出電流增加；反之則減少。VC節點上的有源鉗位提供電流限制。

（四）驅動與頻率控制

開關驅動器可從VIN或BOOST引腳獲取電源，外部電容和內部升壓二極管用于在BOOST引腳產生高于輸入電源的電壓，使驅動器能充分飽和內部雙極NPN功率開關，實現高效運行。比較器通過DA引腳監測續流二極管的電流，當DA引腳電流超過1.7A谷值電流限制時，降低LT3686A的工作頻率，有助于在輸出短路等高輸入電壓故障條件下控制輸出電流。DA比較器與開關峰值電流限制比較器共同確定LT3686A的最大可輸出電流。

（五）有源負載控制

SYNC/MODE引腳還作為BD有源負載電路的模式選擇引腳。當SYNC/MODE由同步脈沖驅動或連接到高于0.8V的電壓時，啟用有源負載；連接到低于0.4V時禁用。LT3686A通過調節有源負載防止輕負載時的脈沖跳躍，有源負載可保證最小負載給升壓電容充電，有助于啟動，并在超過最大占空比時加速升壓電容的充電。有源負載僅在BD引腳電壓小于6V時工作。

五、應用信息

（一）FB電阻網絡

通過輸出和FB引腳之間的電阻分壓器來編程輸出電壓，選擇1%的電阻，根據公式 (R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{0.8 V}-1right)) 計算，R2應選擇20k或更小，以避免偏置電流誤差。

（二）可編程欠壓鎖定

EN/UVLO引腳可通過VIN和EN/UVLO引腳之間的外部電阻分壓器進行編程，根據公式 (R 4=R 5left(frac{V_{I N}}{1.28 V}-1right)) 選擇電阻，R4還設置可編程UVLO的滯后電壓 (Hysteresis =R 4 cdot 2.4 mu A) 。當VIN降至編程電壓以下時，LT3686A進入低靜態電流狀態（Iq ≈ 15μA），將EN/UVLO引腳電壓降至0.4V以下可完全關閉器件（Iq < 1μA）。

（三）輸入電壓范圍

輸入電壓范圍取決于輸出電壓以及VIN和BOOST引腳的絕對最大額定值。最小輸入電壓由LT3686A的最小工作電壓3.6V或其最大占空比決定，最大輸入電壓由引腳的絕對最大額定值和最小占空比決定。

（四）最小導通時間

隨著輸入電壓的增加，LT3686A的開關導通時間會縮短，其最小導通時間為100ns。當所需導通時間低于100ns時，開關脈沖寬度保持在100ns，電感電流會上升超過負載電流，輸出紋波增加，器件會在輸出電壓降至編程值以下時再次開始開關。只要負載能承受增加的輸出電壓紋波，且元件選擇正確，脈沖跳躍操作是安全的，不會損壞器件。

（五）頻率選擇

LT3686A的最大可編程頻率為2.5MHz，最小為300kHz，通過將1%電阻從RT引腳連接到地來編程開關頻率。選擇工作頻率時，需考慮最小導通時間和邊緣損耗，較高的開關頻率會增加功耗并降低效率。SYNC/MODE引腳可用于將內部振蕩器與外部方波同步，同步時鐘信號應低于2.5MHz，脈沖寬度至少為200ns的開和關時間，低電平低于0.4V，高電平高于0.8V，且同步頻率必須高于RT編程頻率。

（六）電感選擇和最大輸出電流

電感值的選擇可參考公式 (L=frac{4left(V{OUT }+V{D}right)}{f}) （其中 (V{D}) 為續流二極管的電壓降，約0.4V，L單位為μH，頻率單位為MHz），這樣可避免次諧波振蕩。電感的RMS電流額定值必須大于最大負載電流，飽和電流應比最大負載電流高約30%，為保證在故障條件下的可靠運行，飽和電流應高于2A，為保持高效率，串聯電阻（DCR）應小于0.1Ω。也可根據公式 (L=frac{2left(V{OUT }+V_{D}right)}{f}) 選擇較小的電感值，但會增加電感電流紋波，并降低有源負載使LT3686A保持全開關頻率的VIN電壓。

（七）續流二極管

建議使用低電容的1 - 2A肖特基二極管作為續流二極管D1，其反向電壓額定值應等于或大于最大輸入電壓，如MBRM140就是一個不錯的選擇。

（八）輸入電容

使用2.2μF或更高值的X7R或X5R類型陶瓷電容對LT3686A電路的輸入進行旁路，Y5V類型在溫度和施加電壓下性能較差，不建議使用。若輸入電源阻抗高或存在長電線或電纜導致的顯著電感，可能需要額外的大容量電容，可使用低性能電解電容。輸入電容可減少LT3686A處的電壓紋波，并將高頻開關電流限制在局部回路中，減少EMI。同時，要注意陶瓷輸入電容與走線或電纜電感可能形成的高Q值（欠阻尼）諧振電路，避免在插入帶電電源時輸入電壓超過LT3686A的額定電壓。

（九）輸出電容

輸出電容有兩個主要功能：一是與電感一起過濾LT3686A產生的方波，產生直流輸出，因此在開關頻率下的低阻抗很重要；二是存儲能量以滿足瞬態負載并穩定控制回路。陶瓷電容具有非常低的等效串聯電阻（ESR），能提供最佳的紋波性能，可根據公式 (C{OUT }=frac{145}{ V{OUT } cdot f}) （ (C{OUT }) 單位為μF，頻率單位為MHz）選擇合適的值。也可根據公式 (C{OUT }=frac{83}{V_{OUT } cdot f}) 選擇較小的輸出電容，但會增加環路交叉頻率和對噪聲的敏感性，需要仔細進行PCB設計。高性能電解電容也可用于輸出電容，應選擇低ESR的產品，其ESR應小于0.1Ω。

（十）BOOST和BD引腳考慮

電容C3和內部升壓二極管用于產生高于輸入電壓的升壓電壓，大多數情況下0.22μF的電容效果較好。BOOST引腳必須比SW引腳高至少2.2V以實現最佳效率。對于3V及以上的輸出，標準電路效果最佳；對于低于3V且高于2.5V的輸出，可在內部二極管并聯一個分立肖特基二極管以降低 (V{D}) 。可根據公式 (C{BOOST }=frac{0.065}{left(V{BD}+V{CATCH}-V{D}-2.2right) cdot f}) 計算和最小化升壓電容值（單位為μF）， (V{D}) 為升壓二極管的正向壓降， (V_{CATCH}) 為續流二極管（D1）的正向壓降，頻率單位為MHz，典型值0.22μF可用于CBOOST。對于較低的輸出電壓，BD引腳可連接到具有適當本地旁路的外部電壓源，上述公式仍適用于計算所選BD電壓的最佳升壓電容。啟動時BD電壓的缺失會增加啟動的最小電壓并降低效率，同時要確保不超過BOOST引腳的最大電壓額定值。BD引腳也可連接到VIN，但VIN將限制在25V，且有源負載電路會自動禁用。

（十一）輕負載固定頻率

LT3686A包含獨特的有源負載電路，可在非常輕的負載下實現全頻率開關。通過將SYNC/MODE引腳由時鐘脈沖驅動或連接到大于0.8V的直流電壓來啟用有源負載。典型的固定頻率非同步降壓調節器在輕負載時會跳過脈沖，而LT3686A的BD有源負載通過在全頻率不連續和脈沖跳躍模式之間提供一種操作方式來防止脈沖跳躍。有源負載可將脈沖跳躍邊界提高，當接近最小導通時間時，其功率開關平穩過渡到固定導通時間、固定頻率的開環電流源，內部誤差放大器通過BD引腳調節輸出上的有源負載以維持輸出電壓調節。有源負載在MODE引腳連接高電平時啟用，連接低電平時禁用，即使激活，當BD電壓超過6V或VIN時，有源負載會關閉以最小化功耗并智能響應外部配置。有源負載還可在啟動時協助充電升壓電容，并在超過最大占空比時加速升壓電容的充電，不使用時不消耗電流。

（十二）軟啟動

SS引腳用于軟啟動LT3686A，消除啟動時的輸入電流浪涌，也可用于跟蹤系統中的另一個電壓。內部2μA電流源為外部軟啟動電容充電，產生電壓斜坡，FB電壓在達到0.8V之前跟蹤SS引腳電壓，之后調節到參考0.8V。軟啟動還可降低振蕩器頻率，避免啟動時達到電流限制。

（十三）短路和反向保護

如果電感選擇得當，不會過度飽和，LT3686A能夠承受輸出短路。在短路條件下，LT3686A會降低頻率，直到谷值電流為1.7A。在某些系統中，當LT3686A的輸入缺失時輸出可能保持高電平，此時若VIN引腳浮空且EN/UVLO引腳保持高電平，內部電路會通過SW引腳汲取靜態電流；若將EN/UVLO引腳接地，SW引腳電流將降至幾乎為零。若VIN引腳接地而輸出保持高電平，LT3686A內部的寄生二極管可能會從輸出通過SW引腳和VIN引腳汲取大電流，可使用一個輸入二極管來防止短路輸入使連接到輸出的備用電池放電，并保護電路免受反向輸入的影響。

（十四）安全熱插拔

陶瓷電容因其小尺寸、堅固性和低阻抗，是LT3686A電路輸入旁路電容的有吸引力的選擇。但如果將LT3686A插入帶電電源，這些電容可能會導致問題。低損耗陶瓷電容與電源串聯的雜散電感形成欠阻尼諧振電路，LT3686A的VIN引腳電壓可能會振蕩到標稱輸入電壓的兩倍，可能超過其額定值并損壞器件。可通過添加帶有串聯電阻的另一個電容來阻尼諧振電路，如添加鋁電解電容，其高等效串聯電阻可消除電壓過沖，還可改善低頻紋波濾波并略微提高電路效率，但可能是電路中最大的元件。另一種解決方案是在輸入串聯一個1Ω電阻來消除電壓過沖，同時添加0.1μF電容改善高頻濾波，這種解決方案尺寸更小、成本更低，對于高輸入電壓，對效率的影響較小。

（十五）頻率補償

LT3686A采用電流模式控制來調節輸出，簡化了環路補償。它不需要輸出電容的ESR來保證穩定性，允許使用陶瓷電容實現低輸出紋波和小電路尺寸。使用推薦的輸出電容時，環路交叉發生在 (R{C} C{C}) 零點之上。如果使用較大的陶瓷電容（非常低的ESR），交叉頻率可能較低，可在反饋分壓器上添加一個相位超前電容（CPL）來改善相位裕度和瞬態響應。大型電解電容的ESR可能足夠大以產生額外的零點，此時可能不需要相位超前電容。如果輸出電容與推薦電容不同，應在所有工作條件下檢查穩定性，包括負載電流、輸入電壓和溫度。

（十六）PCB布局

為了確保LT3686A的正常運行和最小化EMI，在印刷電路板布局時需要特別注意。應使LT3686A的VIN和SW引腳、續流二極管（D1）和輸入電容（C2）形成的環路盡可能小，并僅在一處連接到系統地。這些元件以及電感和輸出電容應放置在電路板的同一側，并在該層進行連接。在這些元件下方放置一個局部、連續的接地平面，并在一處將其連接到系統地，理想情況下是在輸出電容C1的接地端子處。SW和BOOST節點應盡可能小，同時保持FB節點小，使接地引腳和接地走線能夠屏蔽它免受SW和BOOST節點的影響。在LT3686A的外露GND焊盤附近設置過孔，有助于將熱量從LT3686A散發到接地平面。

（十七）高溫考慮

LT3686A的管芯溫度必須低于