深入解析 LTM4624：高效 DC/DC μModule 調節器的設計與應用

在電子工程師的日常設計工作中，電源管理模塊的選擇至關重要。今天，我們就來詳細探討一款性能卓越的 DC/DC μModule 調節器——LTM4624。

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一、LTM4624 概述

LTM4624 是一款完整的 4A 降壓型開關模式 μModule 調節器，采用了小巧的 6.25mm × 6.25mm × 5.01mm BGA 封裝。這個小小的封裝內集成了開關控制器、功率 FET、電感器和支持組件，可謂是“麻雀雖小，五臟俱全”。它的輸入電壓范圍為 4V 至 14V，若使用外部偏置電源，輸入電壓可低至 2.375V，輸出電壓范圍則為 0.6V 至 5.5V，只需一個外部電阻即可設置。其高效的設計能夠提供 4A 的連續輸出電流和 5A 的峰值輸出電流，僅需少量的輸入和輸出電容就能正常工作。

二、關鍵特性

2.1 性能特性

• 寬輸入輸出范圍：輸入電壓范圍廣，能適應多種電源環境；輸出電壓可在 0.6V 至 5.5V 之間靈活調節，滿足不同負載的需求。
• 高效輸出：能夠提供 4A 連續、5A 峰值的輸出電流，并且在不同負載下都能保持較高的效率。從典型性能曲線可以看出，在不同輸入電壓下，隨著負載電流的增加，效率依然能保持在較高水平。
• 快速瞬態響應：采用電流模式控制和內部反饋環路補償，即使在負載和輸入電壓發生變化時，也能迅速做出響應，保持輸出電壓的穩定。例如，在負載階躍變化時，輸出電壓的偏差能快速恢復到正常范圍。

2.2 功能特性

• 可選不連續模式：通過將 MODE 引腳連接到 SGND，可以啟用不連續電流模式（DCM），在輕負載時提高效率。
• 輸出電壓跟蹤：TRACK/SS 引腳可用于實現電源跟蹤和軟啟動編程，方便進行電源排序和控制。
• 故障保護：具備過壓、過流和過溫保護功能，有效保護設備免受損壞。當出現過壓、過流或過溫情況時，相應的保護機制會及時啟動，確保設備的安全運行。

三、引腳功能詳解

3.1 主要引腳

• COMP（A1）：電流控制閾值和誤差放大器補償點，正常范圍為 0.3V 至 1.8V。在并聯操作時，需將 COMP 引腳連接在一起。
• TRACK/SS（A2）：輸出跟蹤和軟啟動輸入。當該引腳電壓低于 0.6V 時，可繞過誤差放大器的內部參考輸入；高于 0.6V 時，跟蹤功能停止，內部參考恢復控制。內部有 2.5μA 的上拉電流，連接電容可實現軟啟動功能。
• RUN（A3）：開關模式調節器的運行控制輸入。將 RUN 引腳電壓拉高至 1.25V 以上可啟用芯片操作，拉低至 1.1V 以下則關閉芯片。
• FREQ（A4）：內部設定頻率為 1MHz，可通過連接外部電阻來調整頻率。連接到 SGND 可增加頻率，連接到 INTVCC 可降低頻率。
• FB（B1）：誤差放大器的負輸入，內部通過 60.4k 精密電阻連接到 VOUT。通過在 FB 和 SGND 引腳之間添加電阻，可對輸出電壓進行編程。
• VOUT（C1、D1 - D2、E1 - E2）：功率輸出引腳，應在這些引腳和 GND 引腳之間連接輸出負載，并在它們之間直接放置輸出去耦電容。
• PGOOD（C2）：開漏邏輯輸出的電源良好信號。當 FB 引腳電壓不在內部 0.6V 參考電壓的 ±10% 范圍內時，PGOOD 引腳被拉低。
• MODE（C4）：操作模式選擇。連接到 INTVCC 可強制在所有輸出負載下進行連續同步操作；連接到 SGND 可在輕負載時啟用不連續模式操作。
• SVIN（C5）：信號 VIN，是片上 3.3V 調節器的濾波輸入電壓。在大多數應用中，應將該引腳連接到 VIN 引腳。
• VIN（D5、E5）：功率輸入引腳，應在這些引腳和 GND 引腳之間施加輸入電壓，并在它們之間直接放置輸入去耦電容。
• INTVCC（E4）：內部 3.3V 調節器輸出，為內部功率驅動器和控制電路供電，內部通過 1μF 低 ESR 陶瓷電容去耦到 GND。

四、應用信息

4.1 外部組件選擇

外部組件的選擇主要取決于輸入電壓、輸出電壓和最大負載電流。對于輸入去耦電容，通常需要一個 10μF 的輸入陶瓷電容進行 RMS 紋波電流去耦；對于輸出去耦電容，單個低 ESR 輸出陶瓷電容即可滿足要求，若需要進一步降低輸出紋波或動態瞬態尖峰，可增加額外的輸出濾波。

4.2 輸出電壓編程

PWM 控制器有內部 0.6V 參考電壓，通過在 FB 引腳和 SGND 引腳之間添加電阻 RFB 可對輸出電壓進行編程，公式為 (R{FB}=frac{0.6 V}{V{OUT } - 0.6 V} cdot 60.4 k)。不同輸出電壓對應的 RFB 電阻值可參考相關表格。

4.3 工作模式選擇

• 不連續電流模式（DCM）：在需要低輸出紋波和中等電流下高效率的應用中，可將 MODE 引腳連接到 SGND 啟用 DCM 模式。在輕負載時，內部電流比較器可能會保持觸發幾個周期，使頂部 MOSFET 關閉幾個周期，從而跳過周期，電感電流不會反向。
• 強制連續電流模式（CCM）：在固定頻率操作比低電流效率更重要且需要最低輸出紋波的應用中，可將 MODE 引腳連接到 INTVCC 啟用 CCM 模式。在這種模式下，電感電流在低輸出負載時允許反向，COMP 電壓始終控制電流比較器閾值，頂部 MOSFET 每個振蕩器脈沖都會開啟。

4.4 頻率調整

LTM4624 的默認工作頻率為 1MHz，大多數情況下無需額外調整。若需要其他工作頻率，可通過在 FREQ 引腳和 SGND 之間添加電阻 (R{FSET}) 來增加頻率，計算公式為 (f(Hz)=frac{1.6 e 11}{162 k | R{FSET }(Omega)})；也可通過在 FREQ 引腳和 INTVCC 之間添加電阻來降低頻率，計算公式為 (f(Hz)=1 MHz - frac{2.8 e 11}{R_{FSET}(Omega)})，可編程工作頻率范圍為 800kHz 至 4MHz。

4.5 軟啟動和輸出電壓跟蹤

TRACK/SS 引腳可用于軟啟動調節器或跟蹤其他電源。在該引腳連接電容可對輸出電壓的上升速率進行編程，內部 2.5μA 電流源會將外部軟啟動電容充電至 INTVCC 電壓。當 TRACK/SS 電壓低于 0.6V 時，會接管內部 0.6V 參考電壓來控制輸出電壓，總軟啟動時間可通過公式 (t{SS}=0.6 cdot frac{C{SS}}{2.5 mu A}) 計算。此外，還可通過該引腳實現輸出電壓跟蹤，如比例跟蹤和重合跟蹤。

4.6 其他特性

• 電源良好信號：PGOOD 引腳可用于監測輸出電壓的有效調節，當輸出電壓超出調節點的 ±10% 范圍時，該引腳被拉低。為防止在瞬態或動態 Vout 變化時出現不必要的 PGOOD 干擾，LTM4624 的 PGOOD 下降沿有大約 52 個開關周期的消隱延遲。
• 穩定性補償：LTM4624 的內部補償環路針對低 ESR 陶瓷輸出電容進行了設計和優化。若需要使用大容量輸出電容來降低輸出紋波或動態瞬態尖峰，需在 VOUT 和 FB 引腳之間添加 10pF 至 15pF 的前饋電容 (C_{FF})。
• RUN 使能：將 RUN 引腳拉低至地可使 LTM4624 進入關斷狀態，關閉功率 MOSFET 和大部分內部控制電路；將 RUN 引腳電壓升高至 0.7V 以上可開啟內部參考，但功率 MOSFET 仍保持關閉；將 RUN 引腳電壓升高至 1.25V 以上可開啟整個芯片。
• 預偏置輸出啟動：LTM4624 可以安全地在輸出電容有電荷的情況下啟動，通過強制不連續模式（DCM）操作，直到 TRACK/SS 引腳電壓達到 0.6V 參考電壓，防止在預偏置輸出啟動時 BG 開啟導致輸出電容放電。但不要使用高于 INTVCC 電壓（3.3V）或 FB 電阻設定電壓（取較低值）的輸出電壓對 LTM4624 進行預偏置。
• 過溫保護：內部過溫保護會監測模塊的結溫，當結溫達到約 160°C 時，兩個功率開關將關閉，直到溫度下降約 15°C。
• 低輸入應用：LTM4624 模塊有單獨的 SVIN 引腳，適用于低至 2.375V 的低輸入電壓應用。在大多數 VIN 大于 4V 的應用中，可將 SVIN 直接連接到 VIN；在低輸入電壓（2.375V 至 4V）應用中，或為減少內部偏置 LDO 的功耗，可將 SVIN 連接到高于 4V 的外部電壓，并添加 0.1μF 的本地旁路電容。

五、熱考慮和輸出電流降額

數據手冊中給出的熱阻參數是根據 JESD 51 - 12 定義的，用于有限元分析（FEA）軟件建模工具。在實際應用中，可參考數據手冊中的降額曲線來評估 LTM4624 在不同電氣和環境條件下的熱性能。不同輸出電壓和不同氣流條件下的熱阻參數可參考相關表格，通過計算功率損耗和熱阻，可估算出結溫上升，從而確定最大負載電流。

六、布局注意事項

雖然 LTM4624 的高度集成使得 PCB 布局相對簡單，但為了優化其電氣和熱性能，仍需注意以下幾點：

• 使用大面積的 PCB 銅區作為高電流路徑，包括 VIN、GND 和 VOUT，以減少 PCB 傳導損耗和熱應力。
• 在 VIN、PGND 和 Vout 引腳附近放置高頻陶瓷輸入和輸出電容，以減少高頻噪聲。
• 在單元下方設置專用的電源接地層。
• 使用多個過孔實現頂層和其他電源層之間的互連，以減少過孔傳導損耗和模塊熱應力。
• 除非過孔被覆蓋或鍍覆，否則不要直接在焊盤上放置過孔。
• 為連接到信號引腳的組件使用單獨的 SGND 接地銅區，并將 SGND 連接到單元下方的 GND。
• 在信號引腳上引出測試點，以便進行監測。

七、總結

LTM4624 是一款功能強大、性能卓越的 DC/DC μModule 調節器，具有寬輸入輸出范圍、高效輸出、快速瞬態響應等優點，同時具備多種保護功能和靈活的工作模式。在實際應用中，通過合理選擇外部組件、調整工作參數和優化 PCB 布局，能夠充分發揮其性能優勢，滿足各種電源管理需求。電子工程師在設計過程中，可根據具體應用場景，靈活運用 LTM4624 的各項特性，實現高效、穩定的電源設計。

你在使用 LTM4624 過程中遇到過哪些問題？或者對其應用還有哪些疑問？歡迎在評論區留言討論。