深入剖析LM5009：寬輸入降壓開關穩壓器的卓越之選

在電子工程師的日常設計工作中，選擇一款合適的開關穩壓器至關重要。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的LM5009寬輸入降壓開關穩壓器，看看它有哪些獨特的特性和優勢，能為我們的設計帶來怎樣的便利。

文件下載：LM5009MM.pdf

一、LM5009的基本特性

（一）產品定位與替代選擇

LM5009是一款功能強大的降壓開關穩壓器，不過TI也推出了更新的產品LM5163，它是一款100 - V、0.5 - A同步降壓DC/DC轉換器，具有減少BOM數量、縮小解決方案尺寸、降低靜態工作電流等諸多優勢。大家在設計時可以根據具體需求來選擇。

（二）核心特性亮點

1. 集成與輸出能力：集成了N溝道MOSFET，具備150 - mA的輸出電流能力，能滿足不少中小功率負載的需求。
2. 響應與頻率：擁有超快速的瞬態響應，無需進行環路補償。其輸入電壓（(V_{IN})）前饋功能可提供恒定的工作頻率，開關頻率能超過600 kHz。
3. 效率與精度：工作效率高，在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內，具有2%精度的2.5 - V反饋電壓。
4. 保護與控制：具備內部啟動穩壓器、智能電流限制保護、外部關機控制和熱關斷等功能，保障了芯片的穩定運行。
5. 封裝形式：提供8引腳VSSOP和熱增強型8引腳WSON封裝，方便不同的PCB布局需求。

二、應用場景廣泛

LM5009的應用場景十分豐富，主要包括以下幾個方面：

1. 替代傳統線性穩壓器：可用于消除傳統線性穩壓器應用中的散熱片，提高系統效率。
2. 交流整流系統：適用于12 - V、24 - V、36 - V和48 - V的交流整流系統，為這些系統提供穩定的電源轉換。
3. 非隔離電源：可用于非隔離交流市電電荷耦合電源，滿足特定的電源需求。
4. LED電流源：作為LED電流源使用，為LED提供穩定的驅動電流。

三、詳細工作原理與特性

（一）整體概述

LM5009是一款低成本、高效的降壓偏置電源轉換器，基于一種導通時間與(V{IN})成反比的控制方案，無需環路補償。電流限制采用與輸出電壓（(V{OUT})）成反比的強制關斷時間，確保短路保護并實現最小折返。

（二）控制電路與工作模式

1. 控制原理：通過比較器和導通時間單穩態觸發器來控制，將輸出電壓反饋（FB）與內部2.5 - V參考電壓進行比較。當FB低于參考電壓時，降壓開關導通一段由線電壓和編程電阻（(R_{ON})）決定的固定時間。
2. 工作模式
   • 輕載時的不連續導通模式：在輕負載電流時，LM5009工作在不連續導通模式，輸出電感電流在導通時間從零上升到峰值，在關斷時間結束前回到零。這種模式下，工作頻率低于連續導通模式，且隨負載電流變化。由于開關損耗隨負載和頻率降低而減少，因此在輕載時能保持較高的轉換效率。不連續工作頻率可通過公式(F=frac{V{OUT }^{2} × L × 1.28 × 10^{20}}{R{L} timesleft(R_{ON}right)^{2}})計算。
   • 重載時的連續導通模式：在重負載電流時，工作在連續導通模式，電感電流連續流動且不會降為零。此模式下，工作頻率高于不連續模式，并且在負載和線電壓變化時保持相對恒定。近似連續模式工作頻率可通過公式(F=frac{V{OUT }}{1.25 × 10^{-10} × R{ON}})計算。

（三）關鍵特性詳解

1. 高壓啟動穩壓器：內部集成高壓啟動穩壓器，輸入引腳（(V{IN})）可直接連接高達95 - V的線電壓，具有100 - V的瞬態能力，內部電流限制為9.5 mA。上電時，穩壓器向(V{CC})引腳的外部電容提供電流，當(V{CC})引腳電壓達到6.3 - V的欠壓鎖定閾值時，降壓開關啟用。在(V{IN})較高的應用中，可通過將輔助電壓二極管連接到(V_{CC})引腳（8 - V至14 - V）來關閉內部穩壓器，降低內部功耗。
2. 調節與過壓比較器
   • 調節比較器：將FB引腳的反饋電壓與內部2.5 - V參考電壓進行比較，當FB低于2.5 - V時啟動導通時間，降壓開關導通，使FB電壓上升。導通時間結束后，開關關斷，直到FB再次低于2.5 - V。FB引腳的偏置電流在整個溫度范圍內小于5 nA。
   • 過壓比較器：將FB電壓與內部2.875 - V參考電壓比較，若FB超過2.875 - V，立即終止導通時間脈沖。直到FB電壓降至2.5 - V以下，開關才會再次導通。
3. 導通時間發生器：導通時間由(R{ON})電阻決定，與輸入電壓（(V{IN})）成反比，從而在(V{IN})變化范圍內實現近乎恒定的頻率。導通時間公式為(T{ON}=1.25 × 10^{-10} × R{ON} / V{IN})。為確保正確的電流限制操作，在最大(V{IN})時，(R{ON})應選擇使最小導通時間大于250 ns。
4. 電流限制：具備智能電流限制關斷定時器，當降壓開關電流超過0.31 A時，立即終止當前周期并啟動不可復位的關斷定時器。關斷時間由外部電阻（(R{CL})）和FB電壓控制，當(FB = 0 V)時，關斷時間預設為35 μs，確保在最大輸入電壓95 - V下的安全短路操作。在非短路過載情況下，關斷時間小于35 μs，可減少折返、恢復時間和啟動時間。關斷時間計算公式為(T{OFF }=frac{10^{-5}}{0.285+frac{V{FB}}{left(6.35 × 10^{-6} × R{CL}right)}})。同時，電流限制檢測電路在每個導通時間的前50 ns至70 ns被屏蔽，以防止因開關導通時的電流浪涌而誤觸發。
5. N溝道降壓開關和驅動器：集成N溝道降壓開關和相關的浮動高壓柵極驅動器，與外部自舉電容和內部高壓二極管配合工作。在導通時間，連接在BST引腳和SW引腳之間的0.022 - μF陶瓷電容為驅動器提供電壓。在每個關斷時間，SW引腳約為 - 1 V，自舉電容通過內部二極管從(V_{CC})充電。外部續流二極管（D1）在內部降壓開關關斷后承載電感電流，應選用超快或肖特基類型以減少導通損耗和電流過沖。
6. 熱保護：正常工作時，應確保LM5009的結溫不超過125°C。內部熱關斷電路在結溫過高（通常為165°C）時啟動，將控制器強制進入低功耗復位狀態，禁用降壓開關，防止因過熱導致的災難性故障。當結溫降至140°C（典型滯后25°C）以下時，降壓開關重新啟用，恢復正常工作。

四、典型應用設計

（一）設計要求

以一個典型的降壓應用電路為例，其設計參數如下：

• 輸入電壓范圍：9.5 - V至95 - V
• 輸出電壓：10 - V
• 負載電流范圍：50 - mA至200 - mA
• 標稱開關頻率：330 - kHz

（二）詳細設計步驟

1. 輸出電阻分壓器選擇：根據公式(V{OUT}=V{FB} times(R 1 + R 2) / R 2)（(V_{FB}=2.5 V)），可得(R1)與(R2)的比值為3:1。選擇標準值3.01 kΩ（(R1)）和1.00 kΩ（(R2)），這樣在主負載斷開時能提供少量輸出負載（2.5 mA），使電路保持調節狀態，直到主負載重新連接。
2. 頻率選擇：除非應用有特定頻率要求，頻率選擇通常需要權衡，因為它會影響電感（(L1)）和電容（(C2)）的尺寸以及開關損耗。基于最小導通時間250 ns，可計算出最大允許頻率(F{MAX}=V{OUT } /left( V{INMAX } × 250 nsright))，在此例中(F{MAX}=444 kHz)。根據公式(F=frac{V{OUT }}{1.25 × 10^{-10} × R{ON}})計算出(R_{ON}=180 kΩ)，考慮到公式中的公差，選用標準值237 - kΩ電阻，得到標稱頻率337 - kHz。
3. 電感選擇：電感主要影響輸出電流紋波幅度，其值的選擇需考慮最小和最大負載電流。
   • 最小負載電流：為在最小負載電流（(I {0}=100 mA)）時保持連續導通，紋波幅度（(IOR)）必須小于200 mA峰 - 峰值。使用公式(L 1=frac{V{OUT 1} timesleft(V{IN }-V{OUT 1}right)}{I{OR } × F{S} × V{IN}})計算，在(V{IN}=90 V)時，(L1)（min）計算為132 μH，選擇下一個較大的標準值150 μH。此時，在(V{IN}=90 V)時(IOR)計算為176 mA峰 - 峰值，在(V{IN}=12 V)時為33 mA峰 - 峰值。
   • 最大負載電流：在負載電流為150 mA時，紋波波形的峰值不得達到LM5009電流限制閾值的最小值（250 mA），即紋波幅度必須小于200 mA峰 - 峰值。在(L1 = 150 mu H)、最大(V{IN})和(I{0})時，紋波峰值為238 mA。因此，(L1)必須能夠承受該峰值電流而不發生飽和或超過其溫度額定值。

五、總結

LM5009寬輸入降壓開關穩壓器憑借其豐富的特性、廣泛的應用場景和相對簡單的設計流程，成為電子工程師在電源設計中的一個不錯選擇。不過，在實際應用中，我們還需要根據具體的設計要求和系統環境，仔細考慮各個參數的選擇和優化，以確保電路的性能和穩定性。大家在使用LM5009進行設計時，是否也遇到過一些獨特的問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。