LTM8002：高效、可靠的降壓μModule穩(wěn)壓器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。一款性能出色的穩(wěn)壓器能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。今天，我們就來深入了解一下凌力爾特（現(xiàn)屬ADI）的LTM8002降壓μModule穩(wěn)壓器。

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一、產(chǎn)品概述

LTM8002是一款40V輸入、2.5A的降壓μModule（電源模塊）穩(wěn)壓器。它將開關(guān)控制器、功率開關(guān)、電感器以及所有支持組件集成在一個(gè)緊湊的封裝中，為用戶提供了一個(gè)完整的降壓開關(guān)模式電源解決方案。

1. 主要特性

• 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為3.4V至40V，輸出電壓范圍為0.97V至18V，能夠滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
• 低噪聲Silent Switcher架構(gòu)：有效降低了電源產(chǎn)生的噪聲，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
• 寬溫度范圍：H級(jí)版本可在 -40°C至150°C的溫度范圍內(nèi)正常工作，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。
• 高輸出電流：在特定條件下，如5V輸出、12V輸入、2MHz開關(guān)頻率、105°C環(huán)境溫度（H級(jí)）時(shí)，可提供2.8A的連續(xù)電流，峰值電流可達(dá)3.5A。
• FMEA合規(guī)引腳布局：即使相鄰引腳短路或引腳浮空，輸出電壓仍能保持在或低于調(diào)節(jié)電壓，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。
• 可選開關(guān)頻率：開關(guān)頻率可在200kHz至3MHz之間選擇，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整。
• 外部同步功能：支持與外部時(shí)鐘同步，方便系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。
• 低靜態(tài)電流：5V輸出時(shí)，靜態(tài)電流僅為25μA，有助于降低系統(tǒng)功耗。
• 可編程軟啟動(dòng)：通過外部電容實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，減少啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。
• 緊湊封裝：采用6.25mm × 6.25mm × 2.22mm的BGA封裝，體積小巧，適合高密度負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

• 汽車電池調(diào)節(jié)：為汽車電子設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。
• 便攜式產(chǎn)品電源：滿足便攜式設(shè)備對(duì)電源體積和效率的要求。
• 分布式電源調(diào)節(jié)：在分布式電源系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。
• 工業(yè)電源：適用于各種工業(yè)設(shè)備的電源供應(yīng)。
• 墻式變壓器調(diào)節(jié)：對(duì)墻式變壓器輸出的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

二、電氣特性

1. 輸入輸出電壓

LTM8002的輸入電壓范圍為3.4V至40V，輸出電壓可通過一個(gè)外部電阻在0.97V至18V之間進(jìn)行編程。不同的輸出電壓對(duì)應(yīng)不同的電阻值，具體可參考數(shù)據(jù)手冊(cè)中的表格。

2. 輸出電流

峰值輸出直流電流可達(dá)3.5A，連續(xù)電流則取決于內(nèi)部工作溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工作條件和散熱情況來確定最大負(fù)載電流。

3. 靜態(tài)電流

在不同的工作模式下，LTM8002的靜態(tài)電流有所不同。例如，當(dāng)RUN引腳為0V、BIAS引腳為0V、無負(fù)載、SYNC引腳為0V且不進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)，流入VIN的靜態(tài)電流為3μA；當(dāng)BIAS引腳為5V、RUN引腳為0V、無負(fù)載、SYNC引腳為0V且不進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)，流入BIAS的靜態(tài)電流為1μA。

4. 電壓調(diào)節(jié)

LTM8002具有良好的線性調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)性能。在5.5V < VIN < 36V、IOUT = 1A的條件下，線性調(diào)節(jié)率為0.5%；在0.1A < IOUT < 2.5A的條件下，負(fù)載調(diào)節(jié)率為0.5%。

5. 開關(guān)頻率

開關(guān)頻率可通過連接在RT引腳和地之間的電阻進(jìn)行編程。不同的電阻值對(duì)應(yīng)不同的開關(guān)頻率，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的電阻。

三、典型性能特性

1. 效率

LTM8002在不同的輸入電壓、輸出電壓和負(fù)載電流下具有不同的效率表現(xiàn)。從數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型性能曲線可以看出，在大多數(shù)情況下，其效率都能達(dá)到較高水平，尤其是在輕負(fù)載時(shí)，通過自動(dòng)切換到Burst Mode（突發(fā)模式），能夠進(jìn)一步提高效率，降低功耗。

2. 輸入與負(fù)載電流關(guān)系

輸入電流與負(fù)載電流之間存在一定的關(guān)系，具體取決于輸入電壓、輸出電壓和開關(guān)頻率等因素。通過觀察典型性能曲線，我們可以了解在不同條件下輸入電流隨負(fù)載電流的變化情況，從而為電源設(shè)計(jì)提供參考。

3. 降額曲線

降額曲線展示了在不同環(huán)境溫度下，LTM8002能夠提供的最大負(fù)載電流。隨著環(huán)境溫度的升高，最大負(fù)載電流會(huì)逐漸降低。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的工作環(huán)境溫度來合理選擇LTM8002的工作參數(shù)，確保其在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。

四、引腳功能

1. GND（銀行1，A7）

將這些GND引腳連接到LTM8002下方的局部接地平面以及電路組件。在大多數(shù)應(yīng)用中，LTM8002的大部分熱量通過這些引腳散發(fā)出去，因此印刷電路板的設(shè)計(jì)對(duì)其熱性能有很大影響。

2. VIN（C6，C7）

VIN為L(zhǎng)TM8002的內(nèi)部穩(wěn)壓器和內(nèi)部功率開關(guān)提供電流。這些引腳必須使用外部低ESR電容進(jìn)行局部旁路，具體電容值可參考數(shù)據(jù)手冊(cè)中的推薦值。

3. VOUT（銀行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(fù)載。

4. BIAS（引腳F1，F(xiàn)2）

BIAS引腳連接到內(nèi)部電源總線。應(yīng)連接到大于3.2V且小于18V的電源。如果VOUT大于3.2V，則將此引腳連接到VOUT；如果輸出電壓較低，則將其連接到3.2V至18V之間的電壓源。如果BIAS的電壓源較遠(yuǎn)，則需要使用至少1μF的電容進(jìn)行去耦。如果不使用此引腳，則將其連接到GND。

5. RUN（引腳B6，B7）

將RUN引腳拉至0.9V以下可關(guān)閉LTM8002；將其連接到1.06V或更高電壓可正常工作。如果不使用關(guān)機(jī)功能，則將此引腳連接到VIN引腳。

6. RT（引腳A5，A6）

RT引腳用于通過連接一個(gè)電阻到地來編程LTM8002的開關(guān)頻率。數(shù)據(jù)手冊(cè)的應(yīng)用信息部分提供了一個(gè)表格，可根據(jù)所需的開關(guān)頻率確定電阻值。應(yīng)盡量減少此引腳的電容，不要驅(qū)動(dòng)此引腳。

7. SYNC（引腳A3，B3）

外部時(shí)鐘同步輸入和操作模式引腳。此引腳可編程四種不同的操作模式：

• Burst Mode：將此引腳連接到地，在低輸出負(fù)載時(shí)進(jìn)入Burst Mode操作，可實(shí)現(xiàn)超低靜態(tài)電流。
• 脈沖跳過模式：讓此引腳浮空，進(jìn)入脈沖跳過模式。該模式在低輸出負(fù)載時(shí)仍能保持全頻率操作，直到出現(xiàn)脈沖跳過。
• 擴(kuò)頻模式：將此引腳拉高至2.9V至4.2V之間，進(jìn)入帶有擴(kuò)頻調(diào)制的脈沖跳過模式。
• 同步模式：用時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)此引腳，與外部頻率同步。同步期間，器件將以脈沖跳過模式運(yùn)行。

8. PG（引腳A2，B2）

PG引腳是內(nèi)部比較器的開集輸出。當(dāng)FB引腳電壓在最終調(diào)節(jié)電壓的約10%范圍內(nèi)時(shí)，PG保持低電平。當(dāng)VIN高于3.4V時(shí)，PG信號(hào)有效。如果VIN高于3.4V且RUN為低電平，則PG將驅(qū)動(dòng)為低電平。如果不使用此功能，則讓此引腳浮空。

9. FB（引腳E1，E2，僅可調(diào)版本）

LTM8002將其FB引腳調(diào)節(jié)到0.97V。從該引腳連接一個(gè)調(diào)節(jié)電阻到地，電阻值RFg由公式RFg = 97 / (VOUT - 0.97)（RFg單位為kΩ）給出。

10. TR/SS（引腳A4，B4）

TR/SS引腳用于提供軟啟動(dòng)或跟蹤功能。內(nèi)部2μA上拉電流與連接到該引腳的外部電容相結(jié)合，產(chǎn)生一個(gè)電壓斜坡，輸出電壓將跟蹤該電壓。對(duì)于跟蹤功能，可從被跟蹤的輸出連接一個(gè)電阻分壓器到該引腳。在關(guān)機(jī)和故障條件下，該引腳通過內(nèi)部MOSFET拉至地；如果從低阻抗輸出驅(qū)動(dòng)該引腳，需要使用一個(gè)串聯(lián)電阻。如果不需要跟蹤功能，則可讓該引腳浮空。

11. NC（引腳B5，C5，D5，D6，D7）

這些引腳未連接到任何其他網(wǎng)絡(luò)或彼此之間。

五、工作原理

LTM8002是一個(gè)獨(dú)立的非隔離降壓開關(guān)DC/DC電源，能夠提供高達(dá)3.5A的電流。它通過一個(gè)外部電阻對(duì)輸出電壓進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，范圍從0.97V到18V。輸入電壓范圍為3.4V到40V，在使用時(shí)需要確保輸入電壓足夠高，以支持所需的輸出電壓和負(fù)載電流。

1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

LTM8002包含一個(gè)電流模式控制器、功率開關(guān)元件、功率電感器以及適量的輸入和輸出電容。它是一個(gè)固定頻率的PWM穩(wěn)壓器，開關(guān)頻率通過將適當(dāng)?shù)碾娮柚祻腞T引腳連接到GND來設(shè)置。

2. 偏置電源

內(nèi)部穩(wěn)壓器為控制電路提供電源。該偏置穩(wěn)壓器通常從VIN引腳獲取電源，但如果BIAS引腳連接到高于2.9V的外部電壓，則偏置電源將從外部源（通常是調(diào)節(jié)后的輸出電壓）獲取，從而提高效率。

3. 關(guān)機(jī)功能

RUN引腳用于將LTM8002置于關(guān)機(jī)狀態(tài)，斷開輸出并將輸入電流降低到幾μA。

4. 突發(fā)模式

為了提高輕負(fù)載時(shí)的效率，LTM8002在輕負(fù)載或無負(fù)載情況下自動(dòng)切換到Burst Mode操作。在突發(fā)之間，與控制輸出開關(guān)相關(guān)的所有電路都被關(guān)閉，將輸入電源電流降低到僅幾μA。

5. 頻率折返

當(dāng)FB引腳的電壓較低時(shí)，振蕩器會(huì)降低LTM8002的工作頻率。這種頻率折返有助于在啟動(dòng)和過載時(shí)控制輸出電流。

6. 軟啟動(dòng)和跟蹤功能

TR/SS節(jié)點(diǎn)作為誤差放大器的輔助輸入。FB引腳的電壓會(huì)跟蹤TR/SS引腳的電壓，直到TR/SS引腳的電壓超過0.97V。通過使用外部電容在TR/SS引腳產(chǎn)生電壓斜坡來實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，以減少輸入電源的電流沖擊。此外，TR/SS引腳還可以通過信號(hào)源或電阻網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輸出跟蹤功能。

7. 電源良好信號(hào)

LTM8002包含一個(gè)電源良好比較器，當(dāng)FB引腳的電壓在其調(diào)節(jié)值的約90%至110%之間時(shí)觸發(fā)。PG輸出是一個(gè)開漏晶體管，當(dāng)輸出處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)關(guān)閉，允許外部電阻將PG引腳拉高。當(dāng)VIN高于3.4V時(shí)，PG信號(hào)有效。

8. 熱關(guān)斷

LTM8002配備了熱關(guān)斷功能，在高結(jié)溫時(shí)禁止功率開關(guān)。該功能的激活閾值高于最大溫度額定值，以避免干擾正常操作。長(zhǎng)時(shí)間或重復(fù)在熱關(guān)斷激活的條件下運(yùn)行可能會(huì)損壞器件或降低其可靠性。

六、應(yīng)用信息

1. 設(shè)計(jì)流程

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，設(shè)計(jì)過程相對(duì)簡(jiǎn)單，可按以下步驟進(jìn)行：

• 查看數(shù)據(jù)手冊(cè)中的表1，找到所需的輸入范圍和輸出電壓對(duì)應(yīng)的行。
• 應(yīng)用推薦的CIN、COUT、RFB等組件值。
• 根據(jù)需要應(yīng)用CFF（從Vout到FB）。
• 按照指示連接BIAS。

需要注意的是，雖然這些組件組合已經(jīng)過測(cè)試，但用戶仍需在預(yù)期的系統(tǒng)線路、負(fù)載和環(huán)境條件下驗(yàn)證其正常運(yùn)行。同時(shí)，最大輸出電流受結(jié)溫、輸入輸出電壓大小和極性以及其他因素的限制，可參考典型性能特性部分的圖表進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2. 組件選擇

電容選擇

表1中給出的CIN和COUT電容值是相關(guān)操作條件下的最小推薦值。不建議使用低于表中指示的電容值，否則可能導(dǎo)致不良操作。在必要時(shí)，使用更大的電容值通常是可以接受的，并且可以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

陶瓷電容具有體積小、堅(jiān)固且ESR低的優(yōu)點(diǎn)，但并非所有陶瓷電容都適合。X5R和X7R類型在溫度和施加電壓方面具有穩(wěn)定性，能提供可靠的服務(wù)；而Y5V和Z5U等類型的電容具有較大的溫度和電壓系數(shù)，在應(yīng)用電路中可能只有其標(biāo)稱電容的一小部分，導(dǎo)致輸出電壓紋波比預(yù)期高。

此外，陶瓷電容具有壓電特性，在Burst Mode操作中，LTM8002的開關(guān)頻率取決于負(fù)載電流，可能會(huì)在音頻頻率下激發(fā)陶瓷電容，產(chǎn)生可聽噪聲。如果這種可聽噪聲不可接受，可以在輸出端使用高性能電解電容，也可以是陶瓷電容和低成本電解電容的并聯(lián)組合。

頻率選擇

LTM8002采用恒定頻率PWM架構(gòu)，可通過將電阻從RT引腳連接到地來編程200kHz至3MHz的開關(guān)頻率。表2提供了RT電阻值及其對(duì)應(yīng)的頻率列表。

在選擇頻率時(shí)，建議用戶根據(jù)輸入和輸出操作條件應(yīng)用表1中給出的最佳RT值。但由于系統(tǒng)級(jí)或其他考慮因素，可能需要選擇其他操作頻率。需要注意的是，隨意選擇的頻率可能會(huì)在某些操作或故障條件下導(dǎo)致不良操作。頻率過高可能會(huì)降低效率、產(chǎn)生過多熱量，甚至在輸出過載或短路時(shí)損壞LTM8002；頻率過低可能會(huì)導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)的輸出紋波過大或輸出電容過大。

BIAS引腳考慮

BIAS引腳用于為內(nèi)部功率開關(guān)級(jí)提供驅(qū)動(dòng)電源并操作其他內(nèi)部電路。為了正常工作，它必須由至少2.9V的電源供電。如果輸出電壓編程為2.9V或更高，則可以將BIAS簡(jiǎn)單地連接到Vout；如果VOUT小于2.9V，則可以將BIAS連接到VIN或其他電壓源。如果BIAS引腳電壓過高，LTM8002的效率可能會(huì)受到影響。最佳BIAS電壓取決于許多因素，如負(fù)載電流、輸入電壓、輸出電壓和開關(guān)頻率等。在所有情況下，都要確保BIAS引腳的最大電壓小于19V。如果BIAS電源來自遠(yuǎn)程或嘈雜的電壓源，可能需要在該引腳局部應(yīng)用一個(gè)去耦電容，1μF的陶瓷電容效果較好。如果不使用BIAS引腳，則將其連接到LTM8002的GND。

最大負(fù)載

LTM8002的額定連續(xù)負(fù)載為2.5A，但實(shí)際能夠驅(qū)動(dòng)的最大連續(xù)負(fù)載取決于內(nèi)部電流限制和內(nèi)部溫度。內(nèi)部電流限制旨在防止在過載或短路情況下?lián)p壞LTM8002。LTM8002的內(nèi)部溫度取決于環(huán)境溫度、輸出功率和系統(tǒng)的散熱能力等操作條件。例如，在環(huán)境溫度控制在低于85°C的情況下，LTM8002H配置為調(diào)節(jié)到1.2V時(shí)，可從12VIN連續(xù)提供3.5A的電流；而當(dāng)輸出電壓為18V且環(huán)境溫度為100°C時(shí)，LTM8002H從36VIN最多只能提供0.6A的電流。

負(fù)載共享

LTM8002不設(shè)計(jì)用于負(fù)載共享。如果需要更大的負(fù)載電流，可以考慮使用LTM8003。

突發(fā)模式操作

為了提高輕負(fù)載時(shí)的效率，LTM8002自動(dòng)切換到Burst Mode操作。在Burst Mode操作期間，LTM8002向輸出電容提供單周期電流脈沖，然后進(jìn)入睡眠期，此時(shí)大部分內(nèi)部電路斷電，負(fù)載由輸出電容供電。在睡眠期間，VIN和BIAS的靜態(tài)電流大大降低，隨著負(fù)載電流向無負(fù)載條件下降，LTM8002在睡眠模式下的運(yùn)行時(shí)間百分比增加，平均輸入電流大大降低，從而提高了輕負(fù)載效率。通過將SYNC引腳連接到GND可以啟用Burst Mode操作。

最小輸入電壓

LTM8002是一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，因此需要一定的最小電壓裕量來保持輸出調(diào)節(jié)。輸入電壓應(yīng)保持在3.4V以上，以確保正常操作。電壓瞬變或紋波谷值導(dǎo)致輸入電壓低于3.4V可能會(huì)關(guān)閉LTM8002。

輸出電壓跟蹤和軟啟動(dòng)

LTM8002允許用戶通過TR/SS引腳調(diào)整其輸出電壓斜坡率。內(nèi)部2μA電流將TR/SS引腳拉高至約2.4V。在TR/SS引腳上放置一個(gè)外部電容可以實(shí)現(xiàn)輸出軟啟動(dòng)，以減少輸入電源的電流沖擊。在軟啟動(dòng)斜坡期間，輸出電壓將成比例地跟蹤TR/SS引腳的電壓。對(duì)于輸出跟蹤應(yīng)用，TR/SS引腳可以由另一個(gè)電壓源外部驅(qū)動(dòng)。從0V到0.97V，TR/SS引腳的電壓將覆蓋誤差放大器的內(nèi)部0.97V參考輸入，從而將FB引腳電壓調(diào)節(jié)到TR/SS引腳的電壓。當(dāng)TR/SS引腳電壓高于0.97V時(shí)，跟蹤功能禁用，反饋電壓將調(diào)節(jié)到內(nèi)部參考電壓。如果不需要該功能，則可以讓TR/SS引腳浮空。一個(gè)有源下拉電路連接到TR