LT3972：高性能降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種常見(jiàn)且關(guān)鍵的組件，它能將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的穩(wěn)定輸出電壓，滿足各種電子設(shè)備的供電需求。今天，我們要深入探討的是LINEAR TECHNOLOGY公司的LT3972降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，它在性能和功能上都有著出色的表現(xiàn)。

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一、LT3972的特性亮點(diǎn)

1. 寬輸入范圍

LT3972的輸入電壓范圍為3.6V至33V，并且具備過(guò)壓鎖定保護(hù)功能，能夠承受高達(dá)62V的瞬態(tài)電壓，這使得它在各種復(fù)雜的電源環(huán)境中都能穩(wěn)定工作。例如，在汽車電池供電系統(tǒng)中，電壓波動(dòng)較大，LT3972的寬輸入范圍和過(guò)壓保護(hù)特性就顯得尤為重要。

2. 高效低功耗

它的最大輸出電流可達(dá)3.5A，能夠滿足大多數(shù)中小功率設(shè)備的供電需求。同時(shí)，在低紋波Burst Mode? 操作模式下，靜態(tài)電流僅為75μA（在12V輸入至3.3V輸出的情況下），關(guān)機(jī)電流小于1μA，大大降低了功耗，提高了能源效率。

3. 可調(diào)開關(guān)頻率

開關(guān)頻率可在200kHz至2.4MHz之間進(jìn)行調(diào)整，這為設(shè)計(jì)師提供了更大的靈活性。較高的開關(guān)頻率可以使用更小的電感和電容，從而減小電路板的尺寸；而較低的開關(guān)頻率則可以提高效率，降低開關(guān)損耗。

4. 其他特性

集成了升壓二極管，可實(shí)現(xiàn)同步操作（同步范圍為250kHz至2MHz），具備電源良好標(biāo)志（Power Good Flag），采用飽和開關(guān)設(shè)計(jì)（導(dǎo)通電阻為95mΩ），輸出電壓可在0.79V至30V之間調(diào)節(jié)，還具備熱保護(hù)和軟啟動(dòng)功能。此外，它采用了小型的10引腳熱增強(qiáng)型MSOP和(3mm × 3mm) DFN封裝，節(jié)省了電路板空間。

二、工作原理

LT3972是一款恒定頻率、電流模式的降壓穩(wěn)壓器。其工作過(guò)程如下：

1. 開關(guān)控制：由RT電阻設(shè)定振蕩器的頻率，該頻率使RS觸發(fā)器置位，從而開啟內(nèi)部功率開關(guān)。
2. 電流監(jiān)測(cè)：放大器和比較器監(jiān)測(cè)VIN和SW引腳之間的電流，當(dāng)電流達(dá)到由VC引腳電壓確定的水平時(shí)，開關(guān)關(guān)閉。
3. 誤差放大：誤差放大器通過(guò)外部電阻分壓器測(cè)量輸出電壓，并對(duì)VC引腳進(jìn)行伺服控制。如果誤差放大器的輸出增加，輸出電流也會(huì)增加；反之則減少。
4. 電流限制：VC引腳的有源鉗位提供電流限制功能，同時(shí)VC引腳還被鉗位到RUN/SS引腳的電壓。通過(guò)在RUN/SS引腳使用外部電阻和電容產(chǎn)生電壓斜坡，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。
5. 電源管理：內(nèi)部穩(wěn)壓器為控制電路提供電源，偏置穩(wěn)壓器通常從VIN引腳獲取電源，但如果BD引腳連接到高于3V的外部電壓，則會(huì)從外部源獲取偏置電源，從而提高效率。
6. 模式切換：在輕負(fù)載情況下，LT3972會(huì)自動(dòng)切換到Burst Mode操作，此時(shí)控制輸出開關(guān)的所有電路都會(huì)關(guān)閉，將輸入電源電流降低到75μA。此外，當(dāng)FB引腳電壓較低時(shí)，振蕩器會(huì)降低工作頻率，這種頻率折返有助于在啟動(dòng)和過(guò)載時(shí)控制輸出電流。
7. 電源良好監(jiān)測(cè)：內(nèi)部的電源良好比較器在FB引腳達(dá)到其調(diào)節(jié)值的91%時(shí)觸發(fā)，PG輸出是一個(gè)集電極開路晶體管，當(dāng)輸出處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，該晶體管截止，允許外部電阻將PG引腳拉高。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. FB電阻網(wǎng)絡(luò)

輸出電壓通過(guò)輸出和FB引腳之間的電阻分壓器進(jìn)行編程，計(jì)算公式為： [R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{0.79 V}-1right)] 選擇1%精度的電阻可以確保輸出電壓的準(zhǔn)確性。

2. 開關(guān)頻率設(shè)置

選擇開關(guān)頻率時(shí)需要權(quán)衡效率、組件尺寸、最小壓差和最大輸入電壓等因素。較高的開關(guān)頻率可以使用較小的電感和電容，但會(huì)降低效率、減小最大輸入電壓并增加壓差；較低的開關(guān)頻率則相反。

3. 輸入電壓范圍

LT3972的最大輸入電壓取決于開關(guān)頻率、VIN和BOOST引腳的絕對(duì)最大額定值以及操作模式。它可以在高達(dá)33V的輸入電壓下工作，并能承受高達(dá)62V的電壓。當(dāng)VIN高于35V（典型值，最小值為33V，最大值為37V）時(shí)，開關(guān)將關(guān)閉，輸出將不再處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。 在輸出啟動(dòng)、短路或其他過(guò)載條件下，應(yīng)根據(jù)以下公式選擇開關(guān)頻率： [V{I N(M A X)}=frac{V{OUT }+V{D}}{f{S W} t{O N(M I N)}}-V{D}+V{S W}] 其中，(V{IN(MAX) }) 是最大工作輸入電壓，(V{OUT }) 是輸出電壓，(V{D}) 是續(xù)流二極管壓降（約0.5V），(V{SW}) 是內(nèi)部開關(guān)壓降（最大負(fù)載時(shí)約0.5V），(f{SW }) 是開關(guān)頻率（由RT設(shè)定），(t{ON(MIN)}) 是最小開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間（約100ns）。 在輸出處于調(diào)節(jié)狀態(tài)且無(wú)短路、啟動(dòng)或過(guò)載事件時(shí)，無(wú)論開關(guān)頻率如何，高達(dá)33V的輸入電壓瞬變都是可以接受的。此時(shí)，LT3972可能會(huì)進(jìn)入脈沖跳過(guò)操作，以保持輸出調(diào)節(jié)，但輸出電壓紋波和電感電流紋波會(huì)比正常操作時(shí)更高。 最小輸入電壓由LT3972的最小工作電壓（約3.6V）或其最大占空比決定，計(jì)算公式為： [V{I N(M I N)}=frac{V{OUT }+V{D}}{1-f{S W} t{O F F(M I N)}}-V{D}+V{S W}] 其中，(V{IN(MIN) }) 是最小輸入電壓，(t{OFF(MIN)}) 是最小開關(guān)關(guān)斷時(shí)間（150ns）。較高的開關(guān)頻率會(huì)增加最小輸入電壓，如果需要較低的壓差，應(yīng)使用較低的開關(guān)頻率。

4. 電感選擇

對(duì)于給定的輸入和輸出電壓，電感值和開關(guān)頻率將決定紋波電流。紋波電流 (Delta I{L}) 隨著 (V{IN }) 或 (V{OUT}) 的增加而增加，隨著電感值和開關(guān)頻率的增加而減小。選擇紋波電流的合理起點(diǎn)是： [Delta I{L}=0.4left(I{OUT(MAX) }right)] 其中，(I{OUT(MAX)}) 是最大輸出負(fù)載電流。為了保證足夠的輸出電流，峰值電感電流必須低于LT3972的開關(guān)電流限制（(I{LIM})），峰值電感電流的計(jì)算公式為： [I{L(PEAK) }=I{OUT(MAX) }+Delta I{L} / 2] LT3972的開關(guān)電流限制在低占空比時(shí)為5.5A，在占空比為0.8時(shí)線性下降到4.5A。最大輸出電流是電感紋波電流的函數(shù)： [I{OUT(MAX)}=I{LIM}-Delta I{L} / 2] 為了保證紋波電流不超過(guò)指定的最大值，應(yīng)根據(jù)以下公式選擇電感值： [L=left(frac{V{OUT }+V{D}}{f{SW} Delta I{L}}right)left(1-frac{V{OUT }+V{D}}{V{IN(MAX)}}right)] 其中，(V{D}) 是續(xù)流二極管的壓降（約0.4V），(V{IN(MAX) }) 是最大輸入電壓，(V{OUT}) 是輸出電壓，(f{SW }) 是開關(guān)頻率（由RT設(shè)定），L是電感值。 電感的RMS電流額定值必須大于最大負(fù)載電流，其飽和電流應(yīng)比最大負(fù)載電流高約30%。在故障條件（啟動(dòng)或短路）和高輸入電壓（>30V）下，為了保證穩(wěn)健運(yùn)行，飽和電流應(yīng)高于5A。為了保持高效率，串聯(lián)電阻（DCR）應(yīng)小于0.1Ω，并且磁芯材料應(yīng)適用于高頻應(yīng)用。

5. 輸入電容

使用X7R或X5R類型的陶瓷電容對(duì)LT3972電路的輸入進(jìn)行旁路。Y5V類型的電容在溫度和施加電壓方面性能較差，不應(yīng)使用。10μF至22μF的陶瓷電容足以對(duì)LT3972進(jìn)行旁路，并能輕松處理紋波電流。當(dāng)使用較低的開關(guān)頻率時(shí)，需要更大的輸入電容。如果輸入電源具有高阻抗，或者由于長(zhǎng)電線或電纜存在顯著的電感，則可能需要額外的大容量電容，可以使用性能較低的電解電容來(lái)提供。 降壓穩(wěn)壓器從輸入電源以具有非?？焖偕仙拖陆禃r(shí)間的脈沖形式汲取電流，輸入電容用于減少LT3972處的電壓紋波，并將這種高頻開關(guān)電流限制在一個(gè)緊密的局部回路中，從而最小化EMI。10μF的電容能夠完成這項(xiàng)任務(wù)，但必須將其放置在靠近LT3972和續(xù)流二極管的位置。此外，陶瓷輸入電容與走線或電纜電感結(jié)合會(huì)形成高品質(zhì)（欠阻尼）的諧振電路，如果LT3972電路插入帶電電源，輸入電壓可能會(huì)振蕩到其標(biāo)稱值的兩倍，可能超過(guò)LT3972的電壓額定值，可參考相關(guān)應(yīng)用筆記來(lái)避免這種情況。 對(duì)于對(duì)空間敏感的應(yīng)用，可以使用4.7μF的陶瓷電容對(duì)LT3972輸入進(jìn)行局部旁路，但較低的輸入電容會(huì)導(dǎo)致輸入電流紋波和輸入電壓紋波增加，并可能將噪聲耦合到其他電路中。此外，增加的電壓紋波會(huì)將LT3972的最小工作電壓提高到約3.7V。

6. 輸出電容和輸出紋波

輸出電容有兩個(gè)重要功能：一是與電感一起過(guò)濾LT3972產(chǎn)生的方波，以產(chǎn)生直流輸出，在這個(gè)過(guò)程中，它決定了輸出紋波，因此在開關(guān)頻率下具有低阻抗非常重要；二是存儲(chǔ)能量以滿足瞬態(tài)負(fù)載并穩(wěn)定LT3972的控制回路。陶瓷電容具有非常低的等效串聯(lián)電阻（ESR），能夠提供最佳的紋波性能。推薦的輸出電容值計(jì)算公式為： [C{OUT }=frac{100}{ V{OUT } f{SW }}] 其中，(f{SW }) 以MHz為單位，(C_{OUT }) 是推薦的輸出電容值（單位為μF）。應(yīng)使用X5R或X7R類型的電容，這樣可以提供低輸出紋波和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。如果同時(shí)調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以保持環(huán)路帶寬，使用更高值的電容可以改善瞬態(tài)性能。為了節(jié)省空間和成本，可以使用較低值的輸出電容，但瞬態(tài)性能會(huì)受到影響。 在選擇電容時(shí)，應(yīng)仔細(xì)查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解在工作條件（施加電壓和溫度）下的實(shí)際電容值?？赡苄枰褂梦锢沓叽绺蠡螂妷侯~定值更高的電容。高性能鉭電容或電解電容也可用于輸出電容，低ESR很重要，應(yīng)選擇適用于開關(guān)穩(wěn)壓器的電容，其ESR應(yīng)由供應(yīng)商指定，且應(yīng)小于0.05Ω。

7. 續(xù)流二極管

續(xù)流二極管僅在開關(guān)關(guān)斷期間導(dǎo)通電流，正常操作時(shí)的平均正向電流可以通過(guò)以下公式計(jì)算： [D(A V G)=I{OUT }left(V{I N}-V{OUT }right) / V{IN }] 其中，(I{OUT}) 是輸出負(fù)載電流?？紤]使用額定電流大于正常操作所需電流的二極管的唯一原因是在輸出短路的最壞情況下。此時(shí)，二極管電流將增加到典型的峰值開關(guān)電流。峰值反向電壓等于穩(wěn)壓器的輸入電壓，應(yīng)使用反向電壓額定值大于輸入電壓的肖特基二極管。LT3972中的過(guò)壓保護(hù)功能會(huì)在 (V{IN }>35V) 時(shí)關(guān)閉開關(guān)，因此即使 (V_{IN }) 范圍高達(dá)62V，也可以使用40V額定的肖特基二極管。

8. 頻率補(bǔ)償

LT3972采用電流模式控制來(lái)調(diào)節(jié)輸出，這簡(jiǎn)化了環(huán)路補(bǔ)償。特別是，LT3972不需要輸出電容的ESR來(lái)保證穩(wěn)定性，因此可以自由使用陶瓷電容來(lái)實(shí)現(xiàn)低輸出紋波和小電路尺寸。頻率補(bǔ)償由連接到 (V{C}) 引腳的組件提供，通常使用一個(gè)電容（(C{C})）和一個(gè)電阻（(R{C})）串聯(lián)到地，此外，可能還會(huì)有一個(gè)較小值的電容并聯(lián)。這個(gè)電容（(C{F})）不是環(huán)路補(bǔ)償?shù)囊徊糠?，而是用于過(guò)濾開關(guān)頻率處的噪聲，僅在使用相位超前電容或輸出電容具有高ESR時(shí)才需要。 環(huán)路補(bǔ)償決定了穩(wěn)定性和瞬態(tài)性能，設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有點(diǎn)復(fù)雜，最佳值取決于應(yīng)用，特別是輸出電容的類型。一種實(shí)用的方法是從本數(shù)據(jù)手冊(cè)中選擇一個(gè)與您的應(yīng)用相似的電路，然后調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以優(yōu)化性能。應(yīng)在所有操作條件下（包括負(fù)載電流、輸入電壓和溫度）檢查穩(wěn)定性。

9. 低紋波Burst Mode操作和脈沖跳過(guò)模式

LT3972能夠在低紋波Burst Mode操作或脈沖跳過(guò)模式下運(yùn)行，通過(guò)SYNC引腳進(jìn)行選擇。 在輕負(fù)載時(shí)，為了提高效率，LT3972可以在低紋波Burst Mode操作下運(yùn)行，這種模式在保持輸出電容充電到適當(dāng)電壓的同時(shí)，將輸入靜態(tài)電流降至最低。在Burst Mode操作期間，LT3972向輸出電容提供單周期的電流脈沖，然后進(jìn)入睡眠期，在此期間輸出功率由輸出電容提供給負(fù)載。由于LT3972以單個(gè)低電流脈沖的形式向輸出提供功率，因此在典型應(yīng)用中，輸出紋波可保持在15mV以下。此外，在睡眠期間，(V_{IN}) 和BD的靜態(tài)電流分別降至典型的30μA和90μA。隨著負(fù)載電流向空載條件減小，LT3972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，即使在非常低的負(fù)載下也能實(shí)現(xiàn)高效率。 如果不需要低靜態(tài)電流，LT3972可以在脈沖跳過(guò)模式下運(yùn)行。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是，與Burst Mode操作相比，LT3972在較低的輸出負(fù)載電流下就會(huì)進(jìn)入全頻率標(biāo)準(zhǔn)PWM操作。對(duì)于前頁(yè)的應(yīng)用電路，在輸出負(fù)載高于約60mA時(shí)將以全頻率開關(guān)。通過(guò)向SYNC引腳施加時(shí)鐘信號(hào)或高于0.9V的直流電壓來(lái)選擇脈沖跳過(guò)模式。

10. BOOST和BIAS引腳考慮

電容C3和內(nèi)部升壓肖特基二極管用于生成高于輸入電壓的升壓電壓。在大多數(shù)情況下，0.22μF的電容效果良好。BOOST引腳必須比SW引腳高2.3V以上才能實(shí)現(xiàn)最佳效率。 對(duì)于3V及以上的輸出，標(biāo)準(zhǔn)電路是最佳選擇；對(duì)于2.8V至3V之間的輸出，應(yīng)使用1μF的升壓電容；對(duì)于2.5V的輸出，由于使用內(nèi)部升壓二極管時(shí)僅能勉強(qiáng)支持升壓驅(qū)動(dòng)級(jí)，因此需要使用一個(gè)良好的外部肖特基二極管（如ON Semi MBR0540）和1μF的升壓電容；對(duì)于較低的輸出電壓，升壓二極管可以連接到輸入或另一個(gè)大于2.8V的電源。將BD連接到VIN會(huì)將最大輸入電壓降低到28V。圖5a中的電路更高效，因?yàn)锽OOST引腳電流和BD引腳靜態(tài)電流來(lái)自較低電壓源。同時(shí)，必須確保BOOST和BD引腳的最大電壓額定值不被超過(guò)。 LT3972應(yīng)用的最小工作電壓受最小輸入電壓（3.6V）和最大占空比的限制。對(duì)于正確的啟動(dòng)，最小輸入電壓還受升壓電路的限制。如果輸入電壓緩慢上升，或者在輸出已經(jīng)處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)通過(guò)RUN/SS引腳開啟LT3972，則升壓電容可能無(wú)法完全充電。由于升壓電容通過(guò)電感中存儲(chǔ)的能量充電，因此電路需要一定的最小負(fù)載電流才能使升壓電路正常運(yùn)行。這個(gè)最小負(fù)載取決于輸入和輸出電壓以及升壓電路的布置，一旦電路啟動(dòng)，最小負(fù)載通常會(huì)降至零。

11. 軟啟動(dòng)

RUN/SS引腳可用于對(duì)LT39