LT1913：高效降壓開關穩壓器的設計與應用

在電子設計領域，降壓開關穩壓器是一種常見且關鍵的元件，它能將較高的輸入電壓轉換為較低的穩定輸出電壓，廣泛應用于各種電子設備中。今天，我們就來深入探討 Linear Technology 公司的 LT1913 降壓開關穩壓器，了解它的特性、工作原理以及在實際應用中的設計要點。

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一、LT1913 特性概覽

LT1913 是一款可調頻率的單片降壓開關穩壓器，具有以下顯著特性：

1. 寬輸入范圍：支持 3.6V 至 25V 的輸入電壓，能適應多種電源環境。
2. 大輸出電流：最大輸出電流可達 3.5A，可滿足大多數負載的功率需求。
3. 可調開關頻率：開關頻率可在 200kHz 至 2.4MHz 之間調整，為設計提供了靈活性。
4. 低關斷電流：關斷電流 (I_{0}<1 mu A)，有助于降低功耗。
5. 集成升壓二極管：內部集成了升壓肖特基二極管，簡化了外部電路設計。
6. 可同步性：能在 250kHz 至 2MHz 范圍內進行同步，方便與其他電路協同工作。
7. 電源良好標志：通過 PG 引腳可指示輸出電壓是否達到編程值的 91%。
8. 飽和開關設計：導通電阻僅 95mΩ，提高了效率。
9. 反饋參考電壓：反饋參考電壓為 0.790V，便于精確控制輸出電壓。
10. 輸出電壓范圍：輸出電壓可在 0.79V 至 25V 之間調節。
11. 熱保護和軟啟動功能：具備熱保護功能，防止芯片過熱；軟啟動功能可減少啟動時的電流沖擊。
12. 小封裝：采用 10 引腳（3mm × 3mm）DFN 封裝，節省電路板空間。

二、工作原理剖析

LT1913 采用恒定頻率、電流模式的降壓調節方式。其工作過程如下：

1. 振蕩器控制：由 RT 引腳連接的電阻設定振蕩器頻率，振蕩器使 RS 觸發器置位，開啟內部功率開關。
2. 電流監測：放大器和比較器監測 (VIN) 和 SW 引腳之間的電流，當電流達到 (V_{C}) 引腳電壓所確定的水平時，關閉開關。
3. 誤差放大：誤差放大器通過外部電阻分壓器測量輸出電壓，并調節 (V_{C}) 引腳電壓，從而控制輸出電流。
4. 電流限制：(V_{C}) 引腳的有源鉗位提供電流限制功能。
5. 軟啟動：通過在 RUN/SS 引腳使用外部電阻和電容生成電壓斜坡，實現軟啟動。
6. 內部調節器：內部調節器為控制電路供電，可從 (VIN) 引腳或 BD 引腳獲取偏置電源，提高效率。
7. 開關驅動：開關驅動器可從輸入或 BOOST 引腳獲取電源，通過外部電容和二極管產生高于輸入電壓的 BOOST 電壓，使內部雙極 NPN 功率開關充分飽和。
8. 頻率折返：當 FB 引腳電壓較低時，振蕩器降低工作頻率，有助于在啟動和過載時控制輸出電流。
9. 電源良好比較器：當 FB 引腳電壓達到其調節值的 91% 時，電源良好比較器觸發，PG 輸出為開路集電極晶體管，輸出正常時為高電平。

三、應用設計要點

1. FB 電阻網絡

輸出電壓通過輸出與 FB 引腳之間的電阻分壓器進行編程，計算公式為 (R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{0.79 V}-1right))，應選擇 1% 精度的電阻。

2. 開關頻率設置

LT1913 可通過將電阻從 RT 引腳連接到地來設置開關頻率，頻率范圍為 200kHz 至 2.4MHz。選擇合適的開關頻率需要權衡效率、元件尺寸、最小壓降和最大輸入電壓等因素。

• 高頻優勢：可使用較小的電感和電容值。
• 高頻劣勢：效率降低、最大輸入電壓降低、壓降增加。
• 最大開關頻率計算：(f{S W(M A X)}=frac{V{D}+V{OUT }}{t{ON(MIN) }left(V{D}+V{IN }-V{S W}right)})，其中 (V{D}) 為續流二極管壓降（約 0.5V），(V_{SW}) 為內部開關壓降（最大負載時約 0.5V）。
• 最小和最大占空比計算：(DC{MIN}=f{SW} t{ON(MIN)})，(DC{MAX }=1-f{SW } t{OFF(MIN) })，開關頻率降低時，占空比范圍增大。

3. 輸入電壓范圍

• 最大輸入電壓：取決于開關頻率和 (V{IN})、BOOST 引腳的絕對最大額定值。在輸出啟動、短路或過載時，最大輸入電壓計算公式為 (V{I N(M A X)}=frac{V{OUT }+V{D}}{f{S W} t{O N(M I N)}}-V{D}+V{S W})，較高的開關頻率會降低最大輸入電壓。
• 最小輸入電壓：由 LT1913 的最小工作電壓（約 3.6V）或最大占空比決定，計算公式為 (V{I N(M I N)}=frac{V{OUT }+V{D}}{1-f{S W} t{O F F(M I N)}}-V{D}+V_{S W})，較高的開關頻率會增加最小輸入電壓。

4. 電感選擇

電感值和開關頻率決定了紋波電流，合理的紋波電流起始值為 (Delta I{L}=0.4left(I{OUT(MAX) }right))，峰值電感電流 (I{L(P E A K)}=I{OUT(M A X)}+Delta I{L} / 2)，應確保峰值電感電流低于 LT1913 的開關電流限制。電感值計算公式為 (L=left(frac{V{OUT }+V{D}}{f{SW} Delta l{L}}right)left(1-frac{V{OUT }+V{D}}{V{IN(MAX)}}right))，電感的 RMS 電流額定值應大于最大負載電流，飽和電流應高約 30%，串聯電阻（DCR）應小于 0.05Ω。

5. 輸入電容

使用 X7R 或 X5R 類型的陶瓷電容對 LT1913 電路的輸入進行旁路，10μF 至 22μF 的陶瓷電容通常足夠。當開關頻率較低時，需要更大的輸入電容。若輸入電源阻抗高或存在長導線電感，可能需要額外的大容量電容。同時，要注意避免陶瓷輸入電容與走線或電纜電感形成的諧振導致輸入電壓過沖。

6. 輸出電容和輸出紋波

輸出電容的主要作用是濾波和存儲能量，推薦的輸出電容值計算公式為 (C{OUT }=frac{100}{V{OUT } t_{SW }})，應使用 X5R 或 X7R 類型的陶瓷電容，以獲得低輸出紋波和良好的瞬態響應。也可使用高性能鉭或電解電容，但需注意低 ESR 要求。

7. 續流二極管

續流二極管在開關關斷期間導通，正常工作時的平均正向電流計算公式為 (ID(AVG)=I{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right) / N{IN })，應使用反向電壓額定值大于輸入電壓的肖特基二極管。

8. 頻率補償

LT1913 使用電流模式控制，簡化了環路補償。通常在 (V{C}) 引腳連接電容 (C{C}) 和電阻 (R{C}) 進行補償，還可并聯一個小電容 (C{F}) 用于濾波。設計補償網絡需要根據具體應用和輸出電容類型進行調整，可參考類似電路并進行優化。

9. BOOST 和 BIAS 引腳考慮

使用電容 C3 和內部升壓肖特基二極管生成高于輸入電壓的 BOOST 電壓，一般 0.47μF 電容效果較好。不同輸出電壓需要不同的 BOOST 電路配置，要確保 BOOST 引腳電壓比 SW 引腳高 2.3V 以上以獲得最佳效率。

10. 軟啟動

通過在 RUN/SS 引腳連接外部 RC 濾波器，可實現 LT1913 的軟啟動，減少啟動時的最大輸入電流。選擇合適的 RC 時間常數，可將啟動峰值電流降低到調節輸出所需的電流，避免過沖。

11. 同步

將方波（占空比 20% 至 80%）連接到 SYNC 引腳，可將 LT1913 振蕩器同步到外部頻率，同步范圍為 250kHz 至 2MHz。(R_{T}) 電阻應設置為使 LT1913 開關頻率比最低同步輸入低 20%。

12. 短路和反接保護

選擇合適的電感可使 LT1913 承受輸出短路。在某些情況下，可使用二極管防止輸入短路或反接對電路造成損壞。

13. PCB 布局

為保證正常工作和降低 EMI，PCB 布局需注意：

• 使 LT1913 的 (VIN) 和 SW 引腳、續流二極管和輸入電容形成的環路盡可能小。
• 將電感和輸出電容與上述元件放置在電路板同一側，并在該層進行連接。
• 在這些元件下方設置局部連續接地平面。
• 減小 SW 和 BOOST 節點的面積。
• 減小 FB 和 (V_{C}) 節點的面積，利用接地走線屏蔽它們免受 SW 和 BOOST 節點的干擾。
• 將封裝底部的暴露焊盤焊接到接地平面，作為散熱片，并通過熱過孔連接到其他接地層，降低熱阻。

14. 熱插拔安全

使用陶瓷輸入電容時，熱插拔可能導致輸入電壓過沖，可在輸入串聯電阻和電容來消除過沖，同時提高高頻濾波效果。

15. 高溫考慮

PCB 需提供散熱措施，確保 LT1913 保持涼爽。通過將暴露焊盤焊接到接地平面，并使用熱過孔連接到其他銅層，可降低熱阻。在高溫環境下，需根據環境溫度對最大負載電流進行降額處理。

四、典型應用電路

文檔中給出了多種典型應用電路，包括 5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V 等不同輸出電壓的降壓轉換器，以及 2MHz 高頻率的 5V 降壓轉換器和 12V 降壓轉換器。這些電路為實際設計提供了參考，可根據具體需求進行調整。

五、相關產品推薦

文檔還列出了 Linear Technology 公司的其他相關降壓轉換器產品，如 LT1766、LT1933、LT1936 等，這些產品在輸入電壓范圍、輸出電流、開關頻率等方面各有特點，可根據不同的應用場景進行選擇。

總之，LT1913 是一款性能出色的降壓開關穩壓器，在設計應用時，需要綜合考慮各方面因素，根據具體需求進行合理的元件選擇和電路設計，以實現最佳的性能和穩定性。你在實際應用中是否遇到過類似穩壓器的設計難題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和問題。