LT1938：高效降壓開關穩壓器的全面解析

在電子設計領域，降壓開關穩壓器是一種常見且關鍵的器件，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，我們就來深入了解一下Linear Technology公司的LT1938降壓開關穩壓器。

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1. 產品概述

LT1938是一款可調節頻率（300kHz至2.8MHz）的單片降壓開關穩壓器，能夠接受高達25V的輸入電壓。它集成了一個高效的0.18Ω開關、一個升壓肖特基二極管以及必要的振蕩器、控制和邏輯電路。采用電流模式拓撲，具有快速瞬態響應和良好的環路穩定性。其高工作頻率允許使用小尺寸、低成本的電感器和陶瓷電容器，從而實現低輸出紋波，同時將整體解決方案的尺寸降至最小。

1.1 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：3.6V至25V，能適應多種電源環境。
• 最大輸出電流：2.2A，可滿足大多數中小功率負載的需求。
• 可調開關頻率：300kHz至2.8MHz，設計人員可以根據具體應用需求進行靈活調整。
• 低關斷電流：$I_{0}<1 mu A$，有助于降低功耗，延長電池續航時間。
• 集成升壓二極管：簡化了電路設計，減少了外部元件數量。
• 電源良好標志：當輸出電壓達到編程輸出電壓的90%時發出信號，方便監控輸出狀態。
• 飽和開關設計：0.18Ω導通電阻，降低了開關損耗，提高了效率。
• 1.265V反饋參考電壓：為輸出電壓的精確調節提供了基準。
• 輸出電壓范圍：1.265V至20V，可滿足不同的應用需求。
• 軟啟動功能：通過在RUN/SS引腳使用外部電阻和電容提供受控的輸出電壓斜坡，減少啟動時的沖擊電流。
• 小型封裝：10引腳熱增強型（3mm × 3mm）DFN封裝，節省了電路板空間。

1.2 應用領域

• 汽車電池調節：為汽車電子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壓轉換和調節。
• 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壓調節。

2. 電氣特性

2.1 絕對最大額定值

2.2 工作結溫范圍

• LT1938E：–40°C至125°C
• LT1938I：–40°C至125°C

2.3 存儲溫度范圍

–65°C至150°C

2.4 電氣參數

3. 引腳功能

4. 工作原理

LT1938是一款恒定頻率、電流模式降壓穩壓器。其工作過程如下：

• 開關控制：由RT設置頻率的振蕩器使能一個RS觸發器，打開內部功率開關。放大器和比較器監控$V{IN}$和SW引腳之間的電流，當該電流達到由$V{C}$引腳電壓確定的水平時，關閉開關。
• 輸出調節：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$V_{C}$引腳。如果誤差放大器的輸出增加，將向輸出提供更多電流；如果減小，則提供更少電流。
• 電流限制：$V{C}$引腳上的有源鉗位提供電流限制，同時$V{C}$引腳還被鉗位到RUN/SS引腳的電壓。
• 軟啟動：通過在RUN/SS引腳使用外部電阻和電容產生電壓斜坡來實現軟啟動。
• 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$V_{IN}$引腳獲取電源，但如果BIAS引腳連接到高于3V的外部電壓源（通常為調節后的輸出電壓），則從外部源獲取偏置電源，以提高效率。
• 開關驅動：開關驅動器可以從輸入或BOOST引腳獲取電源，外部電容器和二極管用于在BOOST引腳產生高于輸入電源的電壓，使驅動器能夠充分飽和內部雙極NPN功率開關，實現高效運行。
• 頻率折返：當FB引腳電壓較低時，振蕩器降低LT1938的工作頻率，有助于在啟動和過載期間控制輸出電流。
• 電源良好比較器：當FB引腳達到其調節值的90%時，電源良好比較器觸發，PG輸出是一個開集電極晶體管，當輸出處于調節狀態時關閉，允許外部電阻將PG引腳拉高。

5. 應用設計要點

5.1 FB電阻網絡

輸出電壓通過輸出和FB引腳之間的電阻分壓器進行編程，可根據公式$R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{1.265}-1right)$選擇1%的電阻。

5.2 設置開關頻率

LT1938采用恒定頻率PWM架構，可通過將一個電阻從RT引腳連接到地來編程開關頻率，范圍為300kHz至2.8MHz。不同開關頻率對應的$R_{T}$值可參考相關表格。

5.3 工作頻率權衡

選擇工作頻率需要在效率、元件尺寸、最小壓差和最大輸入電壓之間進行權衡。高頻操作的優點是可以使用較小的電感器和電容器值，但缺點是效率較低、最大輸入電壓較低和壓差較高。可根據公式$f{S W(M A X)}=frac{V{D}+V{OUT }}{t{ON(MIN) }left(V{D}+V{IN }-V_{S W}right)}$計算給定應用的最高可接受開關頻率。

5.4 輸入電壓范圍

• 最大輸入電壓：取決于開關頻率、$V{IN}$和BOOST引腳的絕對最大額定值以及工作模式。在啟動或短路工作模式下，$V{IN}$必須低于25V和公式$V{I N(M A X)}=frac{V{OUT }+V{D}}{f{S W} t{O N(M I N)}}-V{D}+V_{S W}$計算結果。在調節狀態且無短路或啟動事件時，輸入電壓瞬變最高可達25V。
• 最小輸入電壓：由LT1938的最小工作電壓（約3.6V）或其最大占空比決定，可根據公式$V{I N(M I N)}=frac{V{OUT }+V{D}}{1-f{S W} t{O F F(M I N)}}-V{D}+V_{S W}$計算。

5.5 電感器選擇

• 紋波電流：對于給定的輸入和輸出電壓，電感器值和開關頻率將決定紋波電流。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：$I{L(P E A K)}=I{OUT(M A X)}+Delta I_{L} / 2$，確保峰值電感電流低于LT1938的開關電流限制。
• 電感值選擇：根據公式$L=left(frac{V{OUT }+V{D}}{f Delta L{L}}right)left(1-frac{V{OUT }+V{D}}{V{IN(MAX)}}right)$選擇電感值。
• 電感額定值：電感器的RMS電流額定值必須大于最大負載電流，飽和電流應約高30%，對于故障條件和高輸入電壓，飽和電流應高于3A。

5.6 輸入電容器

使用X7R或X5R類型的陶瓷電容器對LT1938電路的輸入進行旁路，4.7μF至10μF的陶瓷電容器通常足夠。如果輸入電源阻抗高或存在顯著電感，可能需要額外的大容量電容。

5.7 輸出電容器和輸出紋波

輸出電容器的主要功能是與電感器一起過濾LT1938產生的方波，產生直流輸出，并存儲能量以滿足瞬態負載和穩定控制環路。推薦的輸出電容值為$C{OUT }=frac{100}{V{OUT } f_{SW }}$，使用X5R或X7R類型的陶瓷電容器。

5.8 續流二極管

續流二極管僅在開關關斷期間導通，平均正向電流可根據公式$I{D(AVG)}=I{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right) / V_{IN }$計算。選擇反向電壓額定值大于輸入電壓的二極管。

5.9 頻率補償

LT1938采用電流模式控制來調節輸出，簡化了環路補償。頻率補償由連接到$V{C}$引腳的元件提供，通常使用一個串聯到地的電容$C{C}$和電阻$R{C}$，可能還會有一個并聯的較低值電容$C{F}$用于過濾開關頻率的噪聲。

5.10 BOOST和BIAS引腳考慮

• BOOST電壓生成：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升壓電壓，大多數情況下0.22μF的電容效果良好。
• 不同輸出電壓的處理：對于不同的輸出電壓，需要采用不同的升壓電路配置。
• 最小輸入電壓限制：啟動時，最小輸入電壓還受升壓電路限制，可能需要一定的最小負載電流來使升壓電路正常運行。

5.11 軟啟動

通過在RUN/SS引腳添加外部RC濾波器來實現軟啟動，可減少啟動期間的最大輸入電流。

5.12 短路和反向輸入保護

選擇合適的電感器可使LT1938降壓穩壓器容忍短路輸出。在某些情況下，需要采取措施防止反向輸入和短路輸入對電路造成損害。

5.13 PCB布局

為了確保正確運行和最小化EMI，在印刷電路板布局時需要注意以下幾點：

• 使$V_{IN}$、SW引腳、續流二極管和輸入電容器形成的環路盡可能小。
• 將電感器和輸出電容器與其他相關元件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局部、連續的接地平面。
• 使SW和BOOST節點盡可能小。
• 保持FB和$V_{C}$節點小，以便接地走線屏蔽它們免受SW和BOOST節點的影響。
• 將封裝底部的暴露焊盤焊接到接地，以作為散熱器，并盡可能擴展接地平面，在LT1938下方和附近添加熱過孔。

5.14 熱插拔安全

陶瓷輸入電容器與電源的雜散電感可能形成欠阻尼諧振電路，導致$V_{IN}$引腳電壓超過LT1938的額定值。可通過在輸入串聯一個電阻和添加一個小電容來防止電壓過沖。

5.15 高溫考慮

為了保持LT1938涼爽，PCB必須提供散熱功能。將封裝底部的暴露焊盤焊接到接地平面，并通過熱過孔連接到較大的銅層。隨著環境溫度接近125°C，需要降低最大負載電流。

6. 典型應用電路

文檔中給出了多個典型應用電路，包括3.3V、5V、2.5V、12V、1.8V和1.265V等不同輸出電壓的降壓轉換器電路，具體電路參數和元件選擇可參考文檔中的詳細信息。

7. 相關產品

文檔還列出了一些相關的Linear Technology產品，如LT1933、LT3437、LT1936等，這些產品在輸出電流、開關頻率、輸入電壓范圍等方面各有特點，設計人員可以根據具體需求進行選擇。

總之，LT1938是一款功能強大、性能優良的降壓開關穩壓器，在電子設計中具有廣泛的應用前景。通過合理的設計和布局，可以充分發揮其優勢，為各種電子設備提供穩定、高效的電源解決方案。你在使用LT1938或其他類似穩壓器時，是否遇到過一些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和問題。