LTM8022：小身材大能量的DC/DC電源模塊

在電子設計領域，電源模塊的性能和可靠性至關重要。今天，我們就來深入了解一下Linear Technology公司的LTM8022，一款功能強大的1A、36V DC/DC μModule。

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一、LTM8022簡介

LTM8022是一款完整的1A、DC/DC降壓電源，它將開關控制器、功率開關、電感器和所有支持組件都集成在一個封裝內。其輸入電壓范圍為3.6V至36V，輸出電壓范圍為0.8V至10V，開關頻率范圍為200kHz至2.4MHz，每個參數都可以通過單個電阻進行設置。只需要添加輸入和輸出濾波電容，就能完成設計。

1.1 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：3.6V至36V的輸入電壓范圍，使其能夠適應多種電源環境。
• 靈活的輸出電壓：0.8V至10V的輸出電壓，滿足不同負載的需求。
• 高效的電流輸出：能夠提供1A的輸出電流，滿足大多數應用的功率要求。
• 可調節開關頻率：200kHz至2.4MHz的可調節開關頻率，方便工程師根據實際需求進行優化。
• 電流模式控制：采用電流模式控制，提高了電源的穩定性和響應速度。
• RoHS合規封裝：采用帶有金焊盤的RoHS合規封裝，確保環保和可靠性。
• 可編程軟啟動：支持可編程軟啟動，減少啟動時的電流沖擊。
• 小巧輕薄：采用11.25mm × 9mm × 2.82mm的低剖面表面貼裝LGA封裝，節省電路板空間。

1.2 應用領域

• 汽車電池調節：在汽車電子系統中，為各種設備提供穩定的電源。
• 便攜式產品電源：適用于手機、平板電腦等便攜式設備。
• 分布式電源調節：在分布式電源系統中，實現電源的高效分配。
• 工業電源：為工業設備提供可靠的電源支持。
• 墻式變壓器調節：用于墻式變壓器的電源調節。

二、電氣特性

2.1 輸入輸出參數

• 輸入電壓：3.6V至36V的輸入電壓范圍，確保了電源的通用性。
• 輸出電壓：在不同負載條件下，輸出電壓能夠穩定在0.8V至10V之間。
• 輸出電流：最大連續輸出電流為1A，滿足大多數負載的需求。

2.2 靜態電流

在不同的工作模式下，LTM8022的靜態電流表現良好。例如，在非開關狀態下，VIN靜態電流在不同溫度等級下分別為0.1μA至85μA不等，BIAS靜態電流為0.03μA至5μA不等。

2.3 電壓調節

• 線性調節：在3.6V至36V的輸入電壓范圍內，輸出電壓的線性調節率小于0.1%。
• 負載調節：在0V至1A的負載電流變化范圍內，輸出電壓的負載調節率小于0.4%。

2.4 輸出紋波

在特定的工作條件下，輸出紋波（RMS）小于10mV，確保了電源的穩定性。

2.5 開關頻率

通過連接不同阻值的電阻到RT引腳，可以設置開關頻率。例如，當RT = 113kΩ時，開關頻率為325kHz。

三、引腳功能

3.1 VIN（Bank 1）

該引腳為LTM8022的內部穩壓器和內部功率開關提供電流，必須使用至少2.2μF的外部低ESR電容進行本地旁路。

3.2 Vout（Bank 2）

功率輸出引腳，在這些引腳和GND引腳之間連接輸出濾波電容和輸出負載。

3.3 AUX（Pin F5）

為BIAS提供低電流電壓源，在許多設計中，BIAS引腳直接連接到VOUT。該引腳內部連接到VOUT，與BIAS引腳相鄰，方便印刷電路板布線。

3.4 BIAS（Pin G5）

連接到內部電源總線，需要連接到大于2.4V的電源。如果輸出電壓大于2.4V，則將該引腳連接到輸出；如果輸出電壓較小，則將其連接到2.4V至16V之間的電壓源。同時，要確保BIAS + VIN小于56V。

3.5 RUN/SS（Pin H5）

將該引腳接地可關閉LTM8022，連接到2.5V或更高電壓可正常工作。如果不使用關機功能，則將該引腳連接到VIN引腳。此外，該引腳還提供軟啟動功能。

3.6 GND（Bank 3）

將這些GND引腳連接到LTM8022下方的本地接地平面和電路組件，反饋分壓器（RADJ）也連接到該引腳。

3.7 RT（Pin G7）

通過將電阻從該引腳連接到地，可以對LTM8022的開關頻率進行編程。數據手冊的應用信息部分提供了根據所需開關頻率確定電阻值的表格。

3.8 SHARE（Pin F7）

在并聯輸出時，將該引腳連接到另一個LTM8022的SHARE引腳；否則，讓該引腳浮空。

3.9 SYNC（Pin G6）

外部時鐘同步輸入。將該引腳接地可在低輸出負載時實現低紋波Burst Mode?操作，連接到高于0.7V的穩定電壓源可禁用Burst Mode操作。不要讓該引腳浮空，可連接到時鐘源進行同步。

3.10 PG（Pin H6）

內部比較器的開集輸出。在ADJ引腳達到最終調節電壓的10%之前，PG保持低電平。當VIN高于3.6V且RUN/SS為高電平時，PG輸出有效。如果不使用該功能，讓該引腳浮空。

3.11 ADJ（Pin H7）

LTM8022將其ADJ引腳調節到0.79V。將調節電阻從該引腳連接到地，RADJ的值由公式RADJ = 394.21 / (VOUT - 0.79)計算得出，其中RADJ的單位為kΩ。

四、工作原理

4.1 基本架構

LTM8022是一個獨立的非隔離降壓開關DC/DC電源，包含電流模式控制器、功率開關元件、功率電感器、功率肖特基二極管以及適量的輸入和輸出電容。

4.2 開關頻率設置

通過將適當阻值的電阻從RT引腳連接到GND，可以設置開關頻率。

4.3 偏置電源

內部穩壓器為控制電路提供電源，偏置穩壓器通常從VIN引腳獲取電源，但如果BIAS引腳連接到高于2.4V的外部電壓，則偏置電源將從外部源（通常是調節后的輸出電壓）獲取，從而提高效率。

4.4 輕載效率優化

在輕載情況下，LTM8022會自動切換到Burst Mode操作，在脈沖之間，所有與控制輸出開關相關的電路都會關閉，將輸入電源電流降低到典型應用中的50μA。當ADJ引腳的電壓較低時，振蕩器會降低LTM8022的工作頻率，這種頻率折返有助于在啟動和過載時控制輸出電流。

4.5 電源良好比較器

LTM8022包含一個電源良好比較器，當ADJ引腳達到其調節值的92%時觸發。PG輸出是一個開集晶體管，當輸出處于調節狀態時關閉，允許外部電阻將PG引腳拉高。當LTM8022啟用且VIN高于3.6V時，電源良好信號有效。

五、應用設計要點

5.1 組件選擇

在設計過程中，首先要根據所需的輸入電壓范圍和輸出電壓，在表1中找到相應的行，然后應用推薦的CIN、Cout、RADJ和RT值，并按照指示連接BIAS。如果所需的輸出電壓未在表1中列出，可以通過公式RADJ = 394.21 / (VOUT - 0.79)計算RADJ的值。

5.2 電容選擇

表1中的CIN和Cout電容值是推薦的最小值，不建議使用低于這些值的電容，否則可能導致不良操作。使用較大的值通常是可以接受的，并且在必要時可以提高動態響應。陶瓷電容具有體積小、堅固和低ESR的優點，但并非所有陶瓷電容都適用，X5R和X7R類型在溫度和電壓變化時穩定可靠，而Y5V和Z5U類型的電容溫度和電壓系數較大，可能導致輸出電壓紋波過高。此外，陶瓷電容具有壓電特性，在Burst Mode操作時可能會產生可聽噪聲，如果無法接受這種噪聲，可以在輸出端使用高性能電解電容，輸入端可以使用2.2μF陶瓷電容和低成本電解電容的并聯組合。

5.3 頻率選擇

LTM8022采用恒定頻率PWM架構，可通過將電阻從RT引腳連接到地來編程開關頻率，范圍為200kHz至2.4MHz。表2提供了RT電阻值和相應頻率的列表。在選擇頻率時，建議使用表1中針對輸入和輸出操作條件給出的最佳RT值。如果選擇不當的頻率，可能會導致在某些操作或故障條件下出現不良操作，例如頻率過高可能會降低效率、產生過多熱量甚至損壞LTM8022，頻率過低可能會導致輸出紋波過大或輸出電容過大。

5.4 Burst Mode操作

為了提高輕載效率，LTM8022會自動切換到Burst Mode操作，通過將SYNC引腳接地來啟用該模式，將SYNC引腳連接到高于0.7V的穩定電壓源可禁用該模式。在Burst Mode操作期間，LTM8022會向輸出電容提供單周期電流脈沖，然后進入睡眠期，此時輸出功率由輸出電容提供給負載，同時VIN和BIAS的靜態電流分別降低到典型的20μA和50μA。

5.5 BIAS引腳考慮

BIAS引腳用于為內部功率開關級提供驅動電源并操作內部電路，必須由至少2.4V的電源供電。如果輸出電壓編程為2.4V或更高，則將BIAS引腳連接到AUX；如果VOUT小于2.4V，則將BIAS引腳連接到VIN或其他電壓源。同時，要確保BIAS引腳的最大電壓小于16V，且VIN + BIAS小于56V。如果BIAS電源來自遠程或嘈雜的電壓源，可能需要在LTM8022附近添加去耦電容。

5.6 最小輸入電壓

LTM8022是降壓轉換器，需要一定的輸入電壓余量來保持輸出穩定。在大多數滿載應用中，輸入電壓至少要比所需輸出電壓高1.5V。此外，啟動所需的輸入電壓取決于RUN/SS引腳的連接方式。

5.7 負載共享

可以將兩個或更多的LTM8022并聯以產生更高的電流，將所有并聯的LTM8022的VIN、VOUT和SHARE引腳連接在一起，并根據需要同步LTM8022以避免拍頻。為了確保并聯模塊一起啟動，可以將RUN/SS引腳連接在一起，如果不連接RUN/SS引腳，則要確保每個模塊使用相同值的軟啟動電容。

5.8 軟啟動

可以使用RUN/SS引腳對LTM8022進行軟啟動，通過在該引腳連接外部RC濾波器來創建電壓斜坡，從而減少啟動時的最大輸入電流。選擇合適的RC時間常數可以將啟動峰值電流降低到調節輸出所需的電流，且不會產生過沖。

5.9 同步

可以通過向SYNC引腳施加250kHz至2MHz的外部時鐘信號來同步LTM8022的內部振蕩器。連接在RT引腳和地之間的電阻應選擇為使LTM8022的自由運行頻率比預期的同步頻率低20%。當LTM8022同步到外部時鐘源時，Burst Mode操作將被禁用，該部件會根據需要跳過功率開關周期以保持調節。

5.10 短路輸入保護

在某些系統中，當LTM8022的輸入缺失時，輸出可能會保持高電平，例如在電池充電應用或電池備份系統中。如果VIN引腳浮空且RUN/SS引腳保持高電平，則LTM8022的內部電路會通過其內部功率開關吸取靜態電流。如果將RUN/SS引腳接地，內部開關電流將基本降為零。但如果在輸出保持高電平時將VIN引腳接地，LTM8022內部的寄生二極管可能會從輸出通過VIN引腳吸取大電流。可以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。

5.11 PCB布局

雖然LTM8022的高度集成化減輕了PCB布局的難度，但作為一個開關電源，仍需要注意布局以最小化EMI并確保正常運行。以下是一些布局建議：

• 將RADJ和RT電阻盡可能靠近各自的引腳放置。
• 將CIN電容盡可能靠近LTM8022的VIN和GND連接。
• 將Cout電容盡可能靠近LTM8022的VOUT和GND連接。
• 放置CIN和COUT電容，使它們的接地電流直接相鄰或位于LTM8022下方。
• 將所有GND連接連接到頂層盡可能大的銅澆鑄或平面區域，避免斷開外部組件和LTM8022之間的接地連接。
• 使用過孔將GND銅區域連接到電路板的內部接地平面，并廣泛分布這些GND過孔，以提供良好的接地連接和熱路徑到印刷電路板的內部平面。

5.12 熱插拔安全

陶瓷電容因其小尺寸、堅固性和低阻抗而成為LTM8022輸入旁路電容的理想選擇，但如果將LTM8022插入帶電電源，這些電容可能會導致問題。低損耗陶瓷電容與雜散電感串聯形成欠阻尼諧振電路，可能會使LTM8022的VIN引腳電壓升至標稱輸入電壓的兩倍，從而超過其額定值并損壞部件。如果輸入電源控制不佳或用戶將LTM8022插入帶電電源，應設計輸入網絡以防止過沖。可以通過添加帶有串聯電阻的另一個電容來阻尼諧振電路，也可以在輸入串聯一個0.7Ω的電阻來消除電壓過沖。

5.13 熱考慮

如果LTM8022需要在高環境溫度下運行或提供大量功率，可能需要對其輸出電流進行降額。降額量取決于輸入電壓、輸出功率和環境溫度。可以參考典型性能特性部分的降額曲線，但要注意不同尺寸和層數的電路板可能會表現出不同的熱行為，因此需要在預期的系統線路、負載和環境條件下驗證其正常運行。同時，LTM8022的結到空氣和結到電路板的熱阻可以用于估計其內部溫度，但實際熱阻取決于電路板的設計。在布局電路時，要確保LTM8022有良好的散熱。此外，在高環境溫度下，內部肖特基二極管會有顯著的泄漏電流，從而增加LTM8022的靜態電流。

六、典型應用電路

文檔中給出了多個典型應用電路，包括0.82V、1.8V、2.5V、3.3V的降壓轉換器，以及-5V的正轉負轉換器，還有兩個LTM8022并聯的應用電路。這些電路展示了LTM8022在不同輸出電壓和負載條件下的應用，為工程師提供了參考。

七、總結

LTM8022是一款功能強大、性能穩定的DC/DC電源模塊，具有寬輸入電壓范圍、靈活的輸出電壓、高效的電流輸出等優點。在應用設計中，需要注意組件選擇、電容選擇、頻率選擇、Burst Mode操作、BIAS引腳考慮、最小輸入電壓、負載共享、軟啟動、同步、短路輸入保護、PCB布局、熱插拔安全和熱考慮等要點，以確保其正常運行和性能優化。希望本文能為電子工程師在使用LTM8022進行設計時提供幫助。你在使用LTM8022的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。