深入解析LTC3620：超低壓同步降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的卓越之選

在電子設(shè)備小型化和低功耗需求日益增長(zhǎng)的今天，高效、小巧的電源管理芯片顯得尤為重要。LTC3620作為一款超低壓15mA同步降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和出色的性能，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。本文將深入剖析LTC3620的特點(diǎn)、性能、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助電子工程師更好地了解和應(yīng)用這款芯片。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3620是一款高效的同步降壓穩(wěn)壓器，專為單節(jié)鋰離子電池供電的超低功耗、小尺寸應(yīng)用而設(shè)計(jì)。其內(nèi)部同步開(kāi)關(guān)提高了效率，無(wú)需外部肖特基二極管。0.6V的反饋參考電壓輕松支持低輸出電壓，其中LTC3620 - 1選項(xiàng)內(nèi)部編程提供1.1V輸出。

（一）主要特性

1. 高效節(jié)能：效率高達(dá)95%，有效降低功耗。
2. 低功耗設(shè)計(jì)：靜態(tài)電流僅18μA，關(guān)機(jī)模式下電源電流小于1μA。
3. 寬輸入電壓范圍：2.9V至5.5V，適應(yīng)多種電源供電。
4. 頻率可外部編程：通過(guò)FMIN/MODE引腳可設(shè)置最小開(kāi)關(guān)頻率，內(nèi)部默認(rèn)50kHz，有效降低音頻噪聲。
5. 電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)：LOBATB輸出可指示輸入電壓低于3V，欠壓鎖定（UVLO）電路在輸入電壓低于2.8V時(shí)關(guān)閉芯片，保護(hù)電池。
6. 小尺寸封裝：采用2mm × 2mm 8引腳DFN封裝，節(jié)省電路板空間。

（二）應(yīng)用場(chǎng)景

LTC3620適用于多種低功耗、小尺寸的應(yīng)用，如助聽(tīng)器、無(wú)線耳機(jī)、鋰離子電池應(yīng)用以及紐扣電池替代等。

二、電氣特性

（一）輸入輸出參數(shù)

輸入電壓范圍為2.9V至5.5V，LTC3620的調(diào)節(jié)反饋電壓典型值為0.6V，LTC3620 - 1為1.1V。輸出電壓負(fù)載調(diào)節(jié)率為0.5%，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。

（二）電流參數(shù)

最大輸出電流為15mA，峰值電感電流為35mA。靜態(tài)電流在無(wú)開(kāi)關(guān)時(shí)為18μA，關(guān)機(jī)模式下小于1μA，欠壓鎖定條件下為0.5μA。

（三）頻率參數(shù)

內(nèi)部最小開(kāi)關(guān)頻率為40 - 50kHz，F(xiàn)MIN/MODE引腳輸入頻率范圍為20 - 300kHz，可通過(guò)外部時(shí)鐘設(shè)置最小開(kāi)關(guān)頻率。

（四）其他參數(shù)

RUN輸入電壓高電平為0.8V，低電平為0.3V；VFMIN/MODE輸入電壓高電平為0.9V，低電平為0.7V；各引腳的泄漏電流均較小，確保芯片的穩(wěn)定性。

三、典型性能特性

（一）開(kāi)關(guān)頻率與負(fù)載電流關(guān)系

開(kāi)關(guān)頻率與負(fù)載電流成正比，輕載時(shí)內(nèi)部頻率鉗位可強(qiáng)制最小開(kāi)關(guān)頻率，減少音頻范圍內(nèi)的噪聲。通過(guò)FMIN/MODE引腳可外部編程設(shè)置頻率鉗位，不同設(shè)置下開(kāi)關(guān)頻率隨負(fù)載電流的變化曲線如圖所示。

（二）反饋電壓與溫度關(guān)系

反饋電壓隨溫度的變化較小，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。例如，LTC3620 - 1的反饋電壓在不同溫度下的波動(dòng)范圍較小。

（三）效率與負(fù)載電流關(guān)系

效率隨負(fù)載電流的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，在不同輸入電壓和輸出電壓下，效率曲線有所不同。一般來(lái)說(shuō)，在中等負(fù)載時(shí)效率較高。

（四）輸出電壓紋波與負(fù)載電流關(guān)系

輸出電壓紋波與電感值和開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，電感值越大、開(kāi)關(guān)頻率越低，輸出電壓紋波越大。可通過(guò)合理選擇電感和電容來(lái)降低輸出電壓紋波。

四、工作原理

LTC3620采用可變頻率降壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器架構(gòu)，在高負(fù)載時(shí)，通過(guò)輸出電感提供恒定峰值電流脈沖，開(kāi)關(guān)頻率取決于負(fù)載電流。

（一）開(kāi)關(guān)周期

開(kāi)關(guān)周期由誤差放大器EAMP的脈沖啟動(dòng)，頂部FET導(dǎo)通，直到ICMP檢測(cè)到峰值電流閾值（滿載時(shí)為35mA），頂部FET關(guān)閉，底部FET導(dǎo)通，直到電感電流降至0A，由反向電流比較器RCMP檢測(cè)。下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的啟動(dòng)時(shí)間根據(jù)輸出電壓誤差進(jìn)行調(diào)整。

（二）頻率調(diào)節(jié)

隨著負(fù)載電流減小，EAMP會(huì)降低開(kāi)關(guān)頻率以匹配負(fù)載，直到達(dá)到最小開(kāi)關(guān)頻率（內(nèi)部或外部設(shè)置）。當(dāng)FMIN/MODE引腳拉低時(shí)，最小頻率內(nèi)部設(shè)置為50kHz；進(jìn)一步降低負(fù)載時(shí)，相位頻率檢測(cè)器（PFD）會(huì)降低峰值電感電流以維持50kHz的開(kāi)關(guān)頻率。

（三）外部頻率設(shè)置

可通過(guò)向FMIN/MODE引腳提供所需的最小開(kāi)關(guān)頻率時(shí)鐘來(lái)外部設(shè)置最小開(kāi)關(guān)頻率。負(fù)載電流低于一定閾值時(shí)，芯片將鎖定到該最小頻率，其關(guān)系可通過(guò)公式計(jì)算。

（四）輕載處理

在非常輕的負(fù)載下，達(dá)到最小PFET導(dǎo)通時(shí)間，峰值電感電流無(wú)法再降低，此時(shí)芯片將繼續(xù)降低調(diào)節(jié)器開(kāi)關(guān)頻率，防止輸出電壓失控上升。

（五）頻率鉗位取消

對(duì)于對(duì)輸出紋波頻譜內(nèi)容不敏感的應(yīng)用，可將FMIN/MODE引腳拉高取消最小頻率鉗位，此時(shí)電感電流峰值保持在35mA，開(kāi)關(guān)頻率無(wú)限制降低。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）電感選擇

電感的選擇對(duì)電路性能至關(guān)重要。有多種不同值、尺寸和品牌的電感可供選擇，表1給出了一些推薦的電感。在選擇電感時(shí)，需要考慮物理尺寸和效率的權(quán)衡，較小尺寸的電感雖然節(jié)省空間，但可能存在較高的核心損耗和DCR；為了最大化效率，可選擇較大尺寸、核心損耗小、DCR低的電感。

同時(shí)，為了避免在最低負(fù)載電流下音頻范圍內(nèi)的開(kāi)關(guān)，應(yīng)將最小頻率設(shè)置得盡可能低，并盡量減小電感值。對(duì)于1.1V輸出，推薦的最小電感值為15μH。此外，電感電流峰值和零交叉與dI/dt有關(guān)，可根據(jù)輸出電壓調(diào)整電感值，表2給出了不同輸出電壓下推薦的電感和輸出電容尺寸。

（二）輸出電壓設(shè)置

輸出電壓可通過(guò)將VFB連接到電阻分壓器來(lái)設(shè)置，公式為(V_{OUT }=frac{0.6 V(R 1+R 2)}{R 2})。R1和R2應(yīng)選擇較大的值，以最小化靜態(tài)負(fù)載電流并提高效率。LTC3620 - 1版本包含內(nèi)部電阻分壓器，無(wú)需外部電阻，VFB引腳應(yīng)直接連接到VOUT。

（三）電容選擇

輸入和輸出陶瓷電容應(yīng)選擇X5R或X7R介電配方，具有良好的溫度和電壓特性。輸出電壓紋波與輸出電容成反比，電容越大，紋波越小，但瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)。為了保持穩(wěn)定性和可接受的輸出電壓紋波，COUT的值應(yīng)在1μF至5μF之間。

（四）最大負(fù)載電流和最大頻率

LTC3620的最大輸出電流略小于最大峰值電流的一半。電感值決定了每個(gè)開(kāi)關(guān)周期傳遞到輸出的能量，從而影響脈沖持續(xù)時(shí)間和最大頻率。較大的電感會(huì)導(dǎo)致較慢的斜坡速率、較長(zhǎng)的脈沖和較低的最大頻率；較小的電感則會(huì)導(dǎo)致較高的最大頻率。使用頻率鉗位時(shí)，從鎖定范圍以下的負(fù)載突然增加到接近最大輸出的負(fù)載可能會(huì)導(dǎo)致輸出電壓大幅下降。

（五）熱考慮

LTC3620的DFN封裝需要將封裝背板金屬焊接到PCB板上，以提供良好的熱性能。在大多數(shù)應(yīng)用中，由于其高效率和低電流，芯片散熱較少。但在高環(huán)境溫度和高負(fù)載電流的應(yīng)用中，如果沒(méi)有良好的熱接地，芯片的散熱可能會(huì)超過(guò)最大結(jié)溫。

（六）設(shè)計(jì)示例

以設(shè)計(jì)一個(gè)1.1V輸出、鋰離子電池輸入（電壓范圍2.8V至4.2V，平均3.6V）的電路為例，使用內(nèi)部提供的50kHz時(shí)鐘作為最小開(kāi)關(guān)頻率，將FMIN/MODE引腳拉低。對(duì)于1.1V輸出，選擇18μH的電感。根據(jù)所需的最大輸出電壓紋波選擇COUT，假設(shè)最大紋波為1%的VOUT（即11mV），可計(jì)算出COUT約為1.5μF。反饋電阻的選擇可通過(guò)選擇目標(biāo)組合電阻，嘗試不同的標(biāo)準(zhǔn)1%電阻尺寸，以找到誤差最小的組合。

（七）電路板布局

在進(jìn)行電路板布局時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

1. 電源走線（GND、SW和VIN）應(yīng)短、直且寬，以減少電阻和電感。
2. VFB引腳應(yīng)直接連接到反饋電阻，反饋電阻應(yīng)分別與VOUT和GND有短而直接的路徑。
3. COUT和CIN應(yīng)盡可能靠近LTC3620。
4. 所有連接到地的部件的接地端子應(yīng)靠近LTC3620的GND連接。
5. SW節(jié)點(diǎn)和外部時(shí)鐘（如果使用）應(yīng)遠(yuǎn)離敏感的VFB節(jié)點(diǎn)，同時(shí)盡量減少連接到SW引腳的走線長(zhǎng)度和面積，并在開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器下方使用接地平面以減少層間耦合。

六、典型應(yīng)用電路

（一）高效低功耗降壓轉(zhuǎn)換器（FMIN/MODE = 0）

該電路適用于多種輸入電壓（2.9V至5.5V），輸出電壓為1.1V。效率隨負(fù)載電流和輸入電壓的變化曲線展示了其在不同條件下的性能。

（二）高效低功耗降壓轉(zhuǎn)換器（外部編程fMIN）

通過(guò)外部時(shí)鐘設(shè)置最小開(kāi)關(guān)頻率，可實(shí)現(xiàn)不同的性能優(yōu)化。效率隨負(fù)載電流和輸入電壓的變化曲線以及頻譜內(nèi)容曲線展示了其在不同設(shè)置下的特點(diǎn)。

（三）LTC3620 - 1內(nèi)部編程1.1V輸出

LTC3620 - 1版本內(nèi)部編程提供1.1V輸出，效率隨負(fù)載電流和輸入電壓的變化曲線展示了其性能。

七、相關(guān)產(chǎn)品

Linear Technology還提供了一系列相關(guān)的同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，如LTC3631、LTC3632、LTC3642等，這些產(chǎn)品在輸入電壓范圍、輸出電流、封裝等方面各有特點(diǎn)，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

八、總結(jié)

LTC3620以其高效、低功耗、小尺寸等特點(diǎn)，成為超低功耗、小尺寸應(yīng)用的理想選擇。在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路時(shí)，需要綜合考慮電感、電容、電阻的選擇，以及電路板布局等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，通過(guò)合理設(shè)置最小開(kāi)關(guān)頻率和其他參數(shù)，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。希望本文能為電子工程師在使用LTC3620進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似芯片的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和問(wèn)題。