LT1939：一款高性能的電源解決方案

引言

在電子工程師的日常工作中，尋找合適的電源管理芯片是一項至關(guān)重要的任務(wù)。今天我們要探討的是 Linear Technology 公司的 LT1939，這是一款集多種功能于一身的電源管理芯片，適合多種應(yīng)用場景。

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一、產(chǎn)品概述

LT1939 是一款單芯片 2A 降壓穩(wěn)壓器加上線性穩(wěn)壓器/控制器。它具有以下顯著特點：

1. 寬輸入范圍：輸入電壓范圍為 3V 至 25V，能夠適應(yīng)包括汽車電池、工業(yè)電源和未穩(wěn)壓的墻式適配器等多種電源。
2. 短路保護：在整個輸入范圍內(nèi)都具備短路保護功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
3. 高輸出電流能力：能夠提供高達 2A 的輸出電流，滿足大多數(shù)負載的需求。
4. 頻率可調(diào)與同步：支持 250kHz 至 2.2MHz 的可調(diào)/同步固定頻率操作，方便工程師根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行優(yōu)化。
5. 軟啟動與跟蹤功能：軟啟動功能可以控制輸出電壓的上升速率，避免啟動時的輸入電流浪涌，同時還具備輸出跟蹤功能。
6. 輸出電壓可調(diào)：輸出電壓可以調(diào)低至 0.8V，滿足不同的電壓需求。
7. 線性穩(wěn)壓器/驅(qū)動器：內(nèi)置可調(diào)線性穩(wěn)壓器/驅(qū)動器，輸出能力達 13mA。
8. 電源良好比較器：帶有互補輸出的電源良好比較器，方便監(jiān)控輸出狀態(tài)。
9. 低關(guān)斷電流：關(guān)斷電流僅為 12μA，有助于降低系統(tǒng)功耗。
10. 封裝優(yōu)勢：采用熱增強型 3mm × 3mm DFN 封裝，節(jié)省空間且散熱性能良好。

二、技術(shù)細節(jié)分析

（一）工作模式與控制

LT1939 是一款恒頻、電流模式的降壓轉(zhuǎn)換器，采用內(nèi)部 2.3A 開關(guān)，同時還集成了一個輸出能力為 13mA 的線性穩(wěn)壓器。通過一個共同的 SHDN 引腳、內(nèi)部穩(wěn)壓器、振蕩器、欠壓檢測、軟啟動、熱關(guān)斷和上電復(fù)位來控制兩個輸出。 當 SHDN 引腳電壓低于 0.8V 時，芯片進入低靜態(tài)電流模式，此時典型電流僅為 12μA。當 SHDN 引腳浮空或驅(qū)動電壓高于 0.76V 時，內(nèi)部偏置電路開啟，生成內(nèi)部穩(wěn)壓電壓、0.8V（VFB）和 1V（RT/SYNC）參考電壓以及上電復(fù)位信號，設(shè)置軟啟動鎖存器。 振蕩器的頻率由 RT/SYNC 引腳到地的電阻值決定，也可以通過外部時鐘信號進行同步。電流模式控制通過內(nèi)部時鐘和兩個反饋回路來控制功率開關(guān)的占空比，相比電壓反饋系統(tǒng)，具有更好的頻率補償和更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

（二）軟啟動與保護機制

在啟動時，上電復(fù)位信號設(shè)置軟啟動鎖存器，將 SS 引腳放電至接近 0V，確保正確的啟動操作。當 SS 引腳電壓低于 100mV 時，VC 引腳被拉低，禁止開關(guān)操作；當 SS 引腳電壓高于 100mV 時，VC 引腳被釋放，輸出開始調(diào)節(jié)。 如果輸出電流超過 VC 引腳設(shè)定的最大電流，SS 引腳將放電，降低調(diào)節(jié)點，直到輸出電壓能夠由最大電流支持。當過載情況消除后，輸出將從過載調(diào)節(jié)點軟啟動恢復(fù)。此外，輸入欠壓檢測或熱關(guān)斷會觸發(fā)軟啟動鎖存器，啟動完整的軟啟動序列。

（三）電源良好指示

PG 和 PG 引腳是內(nèi)部比較器的集電極輸出，用于監(jiān)控 FB 和 LFB 引腳電壓。當 FB 和 LFB 引腳電壓低于或高于參考電壓的 90%時，PG 和 PG 引腳會相應(yīng)地吸收電流，可用于作為錯誤標志或驅(qū)動輸出斷開設(shè)備。

三、應(yīng)用設(shè)計要點

（一）輸出電壓選擇

輸出電壓通過輸出和 FB 引腳之間的電阻分壓器進行編程。公式為 (R1 = R2(frac{V_{OUT1}}{0.8V}-1))，其中 R2 應(yīng)選擇 10.0k 或更小的值，以避免偏置電流誤差。

（二）開關(guān)頻率選擇

開關(guān)頻率由 RT/SYNC 引腳的電阻 R5 決定，RT/SYNC 引腳內(nèi)部穩(wěn)壓為 1V。為了減小整體解決方案的尺寸，通常應(yīng)盡可能選擇較高的開關(guān)頻率，但要考慮到高頻下的開關(guān)損耗和最小開關(guān)導(dǎo)通時間會導(dǎo)致效率和最大輸入電壓降低。最大推薦頻率可以通過公式 (Frequency (Hz)=frac{V{OUT1}+V{D}}{V{IN}-V{SW}+V{D}} cdot frac{1}{t{ON(MIN)}}) 近似計算。

（三）輸入電壓范圍確定

最小輸入電壓由芯片的最小工作電壓（約 2.8V）或最大占空比決定，最大輸入電壓由 VIN 和 BST 引腳的絕對最大額定值、頻率和最小占空比決定。具體計算公式為 (V{IN(MIN)}=frac{V{OUT1}+V{D}}{DC{MAX}}-V{D}+V{SW}) 和 (V{IN(MAX)}=frac{V{OUT1}+V{D}}{DC{MIN}}-V{D}+V{SW})，其中 (DC{MAX}=1 - t{OFF(MIN)} cdot Frequency)，(DC{MIN}=t{ON(MIN)} cdot Frequency)。

（四）電感選擇

電感的初始選擇可以使用公式 (L=frac{(V{IN}-V{OUT1}) cdot V{OUT1}}{V{IN } cdot f})，其中 f 為頻率（MHz），L 為電感值（μH）。選擇電感時，要考慮電感的 RMS 電流額定值、飽和電流和串聯(lián)電阻（DCR），以確保能夠提供足夠的輸出電流和較高的效率。同時，要注意避免電感值過低導(dǎo)致不連續(xù)模式操作，影響最大負載電流。

（五）電容選擇

1. 輸入電容：使用 4.7μF 或更高的 X7R 或 X5R 類型陶瓷電容對輸入進行旁路，以降低電壓紋波和 EMI。也可以結(jié)合使用低價值陶瓷電容和大容量電解電容或鉭電容。輸入電容的選擇要考慮其在開關(guān)頻率下的低阻抗和足夠的紋波電流額定值。
2. 輸出電容：輸出電容的初始值可以通過公式 (C{VOUT1}=frac{Max Load Step}{Frequency cdot 0.05 cdot V{OUT1}}) 計算。陶瓷電容由于其低 ESR、小尺寸和高魯棒性，是 LT1939 應(yīng)用的首選。但要注意避免使用 Y5V 和 Z5U 類型電容，因為它們在溫度和電壓變化時電容值變化較大。

（六）其他元件選擇

1. 續(xù)流二極管：使用肖特基二極管作為續(xù)流二極管，以降低正向電壓降，提高效率。二極管的峰值反向電壓應(yīng)等于穩(wěn)壓器輸入電壓，平均正向電流應(yīng)根據(jù)正常工作時的負載電流進行選擇。
2. BST 引腳電容和二極管：BST 引腳的電容和二極管用于生成高于輸入電壓的驅(qū)動電壓。通常選擇 0.47μF 電容和快速開關(guān)二極管，電容的 ESR 應(yīng)小于 12Ω，以確保在開關(guān)關(guān)斷時間內(nèi)能夠完全充電。

四、PCB 布局與散熱考慮

（一）PCB 布局

為了確保 LT1939 的正常運行和最小化 EMI，PCB 布局非常關(guān)鍵。要注意將功率開關(guān)、續(xù)流二極管和輸入電容形成的大電流開關(guān)回路面積盡量減小，這些元件應(yīng)放置在電路板的同一側(cè)，并在其下方設(shè)置局部、連續(xù)的接地平面，通過一個點連接到系統(tǒng)接地，理想情況下是連接到輸出電容 C2 的接地端。同時，SW 和 BST 走線應(yīng)盡量短。

（二）散熱考慮

為了保證 LT1939 的散熱性能，需要將封裝底部的外露金屬焊接到接地平面，并通過熱過孔將其連接到其他銅層，以分散芯片產(chǎn)生的熱量。在靠近續(xù)流二極管的地方添加額外的過孔，增加頂部和底部層的銅面積，并通過過孔將其連接到內(nèi)部平面，可以進一步降低熱阻。

五、典型應(yīng)用案例

LT1939 適用于多種應(yīng)用場景，如汽車電池調(diào)節(jié)、工業(yè)控制、墻式變壓器調(diào)節(jié)和分布式電源調(diào)節(jié)等。文檔中還給出了多個典型應(yīng)用電路，如高效線性穩(wěn)壓器、5V/1.5A 和 3.3V/0.5A 降壓輸出斷開電路、5V/2A 降壓帶電源良好 LED 電路等，這些電路為工程師提供了實際的設(shè)計參考。

六、總結(jié)

LT1939 作為一款高性能的電源管理芯片，具有多種實用功能和良好的性能指標。在設(shè)計過程中，工程師需要綜合考慮輸出電壓、開關(guān)頻率、電感和電容選擇、PCB 布局和散熱等多個方面，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在實際應(yīng)用中是否也遇到過類似的電源設(shè)計問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。