深入解析 LTM4609：高效 Buck - Boost DC/DC μModule 穩(wěn)壓器的設(shè)計秘籍

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，電源模塊的選擇至關(guān)重要。今天我們就來深入探討一款高性能的電源模塊——LTM4609，它是一款 36VIN、34VOUT 的高效率 Buck - Boost DC/DC μModule 穩(wěn)壓器，能為我們的設(shè)計帶來諸多便利。

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一、LTM4609 概述

1. 產(chǎn)品特性

LTM4609 采用單電感架構(gòu)，允許輸入電壓 (V{IN}) 高于、低于或等于輸出電壓 (V{OUT})。其輸入電壓范圍為 4.5V 至 36V，輸出電壓范圍為 0.8V 至 34V，可通過一個電阻進行設(shè)置。在升壓模式下，它能提供高達 4A 的連續(xù)電流，降壓模式下更是能達到 10A。效率方面表現(xiàn)出色，最高可達 98%。

它還具備電流模式控制、Power Good 輸出信號、可鎖相的固定頻率（200kHz 至 400kHz）以及超快的瞬態(tài)響應(yīng)等特性。同時，該模塊擁有過壓和折返電流保護等故障保護功能，采用小尺寸的表面貼裝封裝，如 15mm × 15mm × 2.82mm LGA 和 15mm × 15mm × 3.42mm BGA 封裝，并且有 SnPb（BGA）或符合 RoHS 標(biāo)準（LGA 和 BGA）的終端鍍層可供選擇。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

LTM4609 的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了電信、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)和汽車設(shè)備以及高功率電池供電設(shè)備等領(lǐng)域。

二、電氣特性剖析

1. 輸入輸出規(guī)格

輸入直流電壓 (V{IN(DC)}) 范圍為 4.5V 至 36V，欠壓鎖定閾值 (V{IN(UVLO)}) 根據(jù)不同的溫度范圍有所不同。輸入電源偏置電流在不同工作模式下也有相應(yīng)的數(shù)值，如正常模式下為 2.8mA，待機模式下為 1.6mA，關(guān)機模式下為 35μA。

輸出連續(xù)電流范圍在降壓和升壓模式下不同，例如在 (V{IN} = 32V)，(V{OUT} = 12V) 時，降壓模式下可達 10A；在 (V{IN} = 6V)，(V{OUT} = 12V) 時，升壓模式下為 4A。同時，它還具備良好的線路調(diào)節(jié)精度和負載調(diào)節(jié)精度。

2. 開關(guān)部分特性

開關(guān)部分的 MOSFET 具有快速的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，如 M1 的導(dǎo)通時間 (t{r}) 為 50ns，關(guān)斷時間 (t{f}) 為 40ns 等。不同 MOSFET 之間還有相應(yīng)的延遲時間，如 M1 關(guān)斷到 M2 導(dǎo)通的延遲時間 (t{1d}) 為 50ns 等。此外，MOSFET 的靜態(tài)漏源導(dǎo)通電阻也在一定范圍內(nèi)，如 M1 的 (R{DS(ON)}) 為 10mΩ。

3. 振蕩器和鎖相環(huán)

振蕩器的標(biāo)稱頻率 (f{NOM}) 在 (V{PLLFLTR} = 1.2V) 時為 260kHz 至 330kHz，最低頻率 (f{LOW}) 在 (V{PLLFLTR} = 0V) 時為 170kHz 至 220kHz，最高頻率 (f{HIGH}) 在 (V{PLLFLTR} = 2.4V) 時為 340kHz 至 440kHz。PLLIN 輸入電阻為 50kΩ，鑒相器輸出電流根據(jù)不同情況有所不同。

4. 控制部分特性

反饋參考電壓 (V{FB}) 在不同溫度范圍和 (V{COMP}) 條件下有相應(yīng)的數(shù)值。RUN 引腳的 ON/OFF 閾值為 1V 至 2.2V，軟啟動充電電流為 - 1.7μA 至 - 1μA 等。

5. 內(nèi)部 (V_{CC}) 調(diào)節(jié)器

內(nèi)部 (V{CC}) 電壓在不同輸入電壓和 (V{EXTVCC}) 條件下有所不同，如 (V{IN} = 12V)，(V{EXTVCC} = 5V) 時為 5.7V 至 6.3V。同時，它還具備內(nèi)部 (V_{CC}) 負載調(diào)節(jié)、EXTVCC 切換電壓和滯后等特性。

6. 電流傳感部分

最大電流傳感閾值在升壓和降壓模式下不同，如升壓模式下為 - 95mV 至 190mV，降壓模式下為 - 130mV 至 150mV。最小電流傳感閾值在不連續(xù)模式下為 - 6mV。

7. PGOOD 引腳

PGOOD 引腳用于監(jiān)測輸出電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)，其上下閾值分別為 ±5.5% 至 ±10%，滯后為 2.5%，低電壓為 0.2V 至 0.3V，泄漏電流最大為 1μA。

三、典型性能特性

1. 效率與負載電流關(guān)系

從典型性能曲線可以看出，在不同的輸入輸出電壓組合下，如 32VIN 到 12VOUT、12VIN 到 12VOUT、6VIN 到 12VOUT 等，效率隨負載電流的變化情況。同時，不同電感值（如 3.3μH、8μH、5.6μH 等）也會對效率產(chǎn)生影響。

2. 瞬態(tài)響應(yīng)

在不同的輸入輸出電壓和負載變化情況下，LTM4609 具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)能力。例如在 12VIN 到 12VOUT、6VIN 到 12VOUT、32VIN 到 12VOUT 等情況下，當(dāng)負載從 0A 階躍到 3A 或 5A 時，輸出電壓能夠快速恢復(fù)穩(wěn)定。

3. 啟動與短路情況

在啟動過程中，如 (6V{IN}) (12V{OUT}) 在 (I{OUT} = 4A)、(32V{IN}) (12V{OUT}) 在 (I{OUT} = 5A) 等情況下，輸出電壓能夠平穩(wěn)上升。在短路情況下，如 (6V{IN}) (12V{OUT}) 在 (I{OUT} = 4A)、(32V{IN}) (12V{OUT}) 在 (I{OUT} = 5A)、(12V{IN}) (34V{OUT}) 在 (I_{OUT} = 2A) 等情況下，模塊能夠進行有效的保護，限制電流。

四、引腳功能詳解

1. 電流傳感與檢測引腳

SENSE + 和 SENSE - 分別為電流傳感和反向電流檢測比較器的正、負輸入引腳。

2. 軟啟動與控制引腳

SS 引腳用于軟啟動，通過連接一個電容來控制輸出電壓的上升速率。RUN 引腳用于控制模塊的開啟和關(guān)閉，當(dāng)電壓低于 1.6V 時，模塊關(guān)閉。FCB 引腳用于設(shè)置模塊的工作模式，不同的電壓輸入對應(yīng)不同的工作模式，如強制連續(xù)模式、跳周期模式等。STBYMD 引腳用于控制內(nèi)部 LDO 在控制器關(guān)閉時是否保持工作。

3. 電源輸入與輸出引腳

(V{IN}) 為電源輸入引腳，建議在這些引腳和 PGND 引腳之間放置輸入去耦電容。(V{OUT}) 為電源輸出引腳，同樣建議在這些引腳和 PGND 引腳之間放置輸出去耦電容。

4. 其他功能引腳

PGOOD 引腳用于指示輸出電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)，當(dāng)輸出電壓不在 ±7.5% 的調(diào)節(jié)點范圍內(nèi)時，該引腳拉低。(V{FB}) 為誤差放大器的負輸入引腳，通過連接一個額外的電阻可以編程不同的輸出電壓。COMP 引腳為電流控制閾值和誤差放大器補償點，PLLFLTR 引腳用于設(shè)置內(nèi)部振蕩器的頻率，PLLIN 引腳用于外部時鐘同步。(INTV{CC}) 為內(nèi)部 6V 調(diào)節(jié)器輸出引腳，(EXTV{CC}) 為外部 (V{CC}) 引腳，當(dāng) (EXTV_{CC}) 超過 5.7V 時，內(nèi)部調(diào)節(jié)器關(guān)閉。

五、工作原理及操作要點

1. 電源模塊描述

LTM4609 是一款非隔離式 Buck - Boost DC/DC 電源模塊，通過添加傳感電阻、電感和一些外部輸入輸出電容，能夠在 4.5V 至 36V 的寬輸入范圍內(nèi)提供 0.8V 至 34V 的寬輸出電壓。它采用集成的電流模式 Buck - Boost 控制器、超低 (R_{DS(ON)}) 的 FET 和集成的肖特基二極管，具有良好的穩(wěn)定性和瞬態(tài)性能。

2. 工作頻率選擇

LTM4609 的工作頻率可以通過設(shè)置 PLLFLTR 引腳的電壓來調(diào)整，范圍為 200kHz 至 400kHz。也可以通過 PLLIN 引腳的輸入時鐘信號進行同步。隨著工作頻率的增加，柵極電荷損耗會增加，效率會降低，因此最大開關(guān)頻率約為 400kHz。

3. 低電流操作模式

為了提高低輸出電流時的效率，LTM4609 在 FCB 引腳接受邏輯輸入，提供了三種工作模式，分別適用于降壓和升壓操作。當(dāng) FCB 引腳電壓低于 0.8V 時，為強制連續(xù)模式；當(dāng)電壓低于 (V{INTVCC} - 1V) 但大于 0.85V 時，升壓操作進入 Burst 模式，降壓操作進入跳周期模式；當(dāng) FCB 引腳電壓連接到 (INTV{CC}) 引腳時，進入恒定頻率不連續(xù)電流模式（DCM）。

4. 電容與電感選擇

在輸入電容選擇方面，升壓模式下輸入電流連續(xù)，所需輸入電容較少；降壓模式下輸入電流不連續(xù)，需要選擇合適的電容來過濾輸入方波電流。輸出電容在升壓模式下需要能夠降低輸出電壓紋波，在降壓模式下也有相應(yīng)的紋波計算公式。電感的選擇主要由所需的紋波電流和工作頻率決定，同時要考慮電感的直流電阻和飽和電流。

5. RSENSE 選擇與最大輸出電流

(R{SENSE}) 的選擇基于所需的電感電流，在降壓和升壓模式下建議使用不同的傳感電阻。通過相應(yīng)的公式可以計算出允許的最大平均負載電流和最大電流傳感 (R{SENSE}) 值，通常建議在計算值上保留 20% 至 30% 的余量。

6. 軟啟動與運行控制

SS 引腳通過連接一個電容來實現(xiàn)軟啟動功能，控制輸出電壓的上升速率。RUN 引腳用于啟用電源模塊，也可以作為欠壓鎖定（UVLO）功能使用。

7. 故障保護與待機模式

LTM4609 具有電流模式控制器，能夠在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況下限制逐周期電感電流。在過載情況下，還提供折返電流限制功能。Standby 模式（STBYMD）引腳提供了多種啟動和待機操作模式的選擇，同時內(nèi)部的 6V 輸出線性調(diào)節(jié)器可以為一些保持活動的功能提供電源。

六、設(shè)計實例分析

1. 降壓模式操作

以 (V{IN} = 12V)，(V{OUT} = 12V)，(f = 400kHz) 為例，將 PLLFLTR 引腳設(shè)置為 2.4V 或更高以獲得 400kHz 的頻率，將 FCB 連接到地以實現(xiàn)連續(xù)電流模式操作。通過公式計算選擇合適的 (R_{FB}) 電阻，根據(jù)電流紋波比選擇 4.7μH 的電感，根據(jù)最大輸出電流和允許的最大傳感閾值選擇 9mΩ 的傳感電阻。輸入電容選擇 10μF 陶瓷電容，輸出電容選擇總 ESR 約為 5mΩ 的電容以滿足輸出電壓紋波要求。

2. 升壓模式操作

對于 (V{IN} = 5V)，(V{OUT} = 12V)，(f = 400kHz) 的情況，同樣設(shè)置 PLLFLTR 引腳和 (R_{FB}) 電阻。根據(jù)最大輸出功率和模塊效率計算電流紋波比，選擇 3.3μH 的電感，根據(jù)最大輸入電流和允許的最大傳感閾值選擇 8mΩ 的傳感電阻。輸入電容在升壓模式下只需要最小電容，輸出電容需要更多以過濾方波電流，同樣選擇總 ESR 約為 5mΩ 的電容。同時，建議在 SW1 引腳添加一個 RC 緩沖器以獲得低開關(guān)噪聲。

3. 寬輸入模式操作

當(dāng)需要 5V 至 36V 的寬輸入范圍時，模塊會在不同的工作模式下工作?？紤]到降壓和升壓模式的最壞情況，最大輸出功率限制為 60W。選擇 8mΩ 的傳感電阻，輸入電容采用降壓模式設(shè)計，輸出電容采用升壓模式設(shè)計。為了滿足紋波設(shè)計要求，在降壓模式下允許更高的電感紋波電流，選擇 3.3μH 的電感。

七、應(yīng)用注意事項

1. 安全考慮

LTM4609 模塊不提供 (V{IN}) 和 (V{OUT}) 之間的隔離，且內(nèi)部沒有保險絲。如果需要，應(yīng)提供一個額定電流為最大輸入電流兩倍的慢熔保險絲，以保護每個單元免受過載故障的影響。

2. PCB 布局

雖然 LTM4609 的高集成度使得 PCB 布局相對簡單，但為了優(yōu)化其電氣和熱性能，仍需注意以下幾點：

• 使用大面積的 PCB 銅箔用于高電流路徑，包括 (V{IN})、RSENSE、SW1、SW2、PGND 和 (V{OUT})，以減少 PCB 傳導(dǎo)損耗和熱應(yīng)力。
• 在 (V{IN})、PGND 和 (V{OUT}) 引腳附近放置高頻輸入和輸出陶瓷電容，以減少高頻噪聲。
• 將 SENSE + 和 SENSE - 引線緊密排列，避免感測線穿過噪聲區(qū)域，如開關(guān)節(jié)點。
• 在模塊下方放置一個專用的電源接地層。
• 使用多個過孔進行頂層和其他電源層之間的互連，以減少過孔傳導(dǎo)損耗和模塊熱應(yīng)力。
• 除非過孔被覆蓋，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一個單獨的 SGND 接地銅區(qū)域，并將 SGND 連接到模塊下方的 PGND。

八、總結(jié)

LTM4609 是一款功能強大、性能出色的 Buck - Boost DC/DC μModule 穩(wěn)壓器，具有寬輸入輸出電壓范圍、高效率、快速瞬態(tài)響應(yīng)和多種保護功能等優(yōu)點。在設(shè)計過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部組件，如電感、電容、傳感電阻等，并注意 PCB 布局和安全考慮。通過對 LTM4609 的深入了解和正確應(yīng)用，我們能夠為各種電子設(shè)備設(shè)計出穩(wěn)定、高效的電源解決方案。你在使用類似電源模塊時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。