深入剖析 LTC6991：一款多功能低頻率振蕩器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，精準(zhǔn)且靈活的定時(shí)解決方案至關(guān)重要。LTC6991 作為一款具有可編程周期范圍的硅振蕩器，為長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間定時(shí)事件提供了出色的解決方案。今天，我們就來(lái)深入探討一下 LTC6991 的特性、工作原理、應(yīng)用場(chǎng)景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：LTC6991.pdf

一、LTC6991 概述

LTC6991 是 TimerBlox? 系列中一款多功能的硅定時(shí)設(shè)備，其可編程周期范圍為 1.024ms 至 9.54 小時(shí)（對(duì)應(yīng)頻率范圍為 29.1μHz 至 977Hz），非常適合長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的定時(shí)應(yīng)用。它具有以下顯著特點(diǎn)：

1. 寬周期范圍：周期范圍從 1ms 到 9.5 小時(shí)，能滿(mǎn)足各種不同的定時(shí)需求。
2. 低頻率誤差：最大頻率誤差小于 1.5%，確保了定時(shí)的準(zhǔn)確性。
3. 輸出復(fù)位功能：可通過(guò) RST 引腳控制輸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)靈活的定時(shí)控制。
4. 寬電源電壓范圍：支持 2.25V 至 5.5V 的單電源供電，適用于多種電源環(huán)境。
5. 低功耗：電源電流在 55μA 至 80μA 之間（2ms 至 9.5hr 時(shí)鐘周期），適合電池供電的應(yīng)用。
6. 快速啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)時(shí)間僅為 500μs，能快速進(jìn)入工作狀態(tài)。
7. 強(qiáng)大的輸出驅(qū)動(dòng)能力：CMOS 輸出驅(qū)動(dòng)器可源/沉 20mA 電流。
8. 寬工作溫度范圍：工作溫度范圍為 -55°C 至 125°C，適用于各種惡劣環(huán)境。
9. 多種封裝形式：提供低輪廓（1mm）SOT - 23（ThinSOT?）和 2mm × 3mm DFN 封裝，方便不同的 PCB 布局需求。
10. 汽車(chē)級(jí)認(rèn)證：通過(guò) AEC - Q100 認(rèn)證，可用于汽車(chē)應(yīng)用。

二、工作原理

2.1 主振蕩器控制

LTC6991 圍繞一個(gè)最大頻率為 1MHz 的主振蕩器構(gòu)建。主振蕩器的頻率由 SET 引腳的電流（ISET）和電壓（VSET）控制，其轉(zhuǎn)換因子為 1MHz ? 50kΩ，在典型條件下精度可達(dá) ±0.8%。主振蕩器頻率計(jì)算公式為： [f{MASTER }=frac{1}{t{MASTER }}=1 MHz cdot 50 k Omega cdot frac{I{SET }}{V{SET }}] 通過(guò)反饋回路，VSET 被維持在 1V ±30mV，因此 ISET 成為控制輸出頻率的主要手段。最簡(jiǎn)單的方法是在 SET 和 GND 之間連接一個(gè)電阻（RSET），此時(shí) (I{SET}=V{SET} / R{SET})，主振蕩器方程簡(jiǎn)化為： [f{MASTER }=frac{1}{t{MASTER }}=frac{1 MHz cdot 50 k Omega}{R{SET }}] RSET 的取值范圍為 50k 至 800k（對(duì)應(yīng) ISET 為 1.25μA 至 20μA）。

2.2 頻率分頻

主振蕩器的頻率在到達(dá) OUT 引腳之前，先經(jīng)過(guò)一個(gè)固定的 ÷1024 分頻器。此外，LTC6991 還包含一個(gè)可編程頻率分頻器，可將頻率進(jìn)一步分頻為 1、8、64、512、4096、(2^{15})、(2^{18}) 或 (2^{21})。分頻比 (N{DIV }) 由連接到 DIV 引腳的電阻分壓器設(shè)置。輸出頻率計(jì)算公式為： [f{OUT }=frac{1 MHz cdot 50 k Omega}{1024 cdot N{DIV }} cdot frac{I{SET }}{V{SET }}] 或 [t{OUT }=frac{1}{f{OUT }}=frac{N{DIV }}{50 k Omega} cdot frac{V{SET }}{I{SET }} cdot 1.024 ms] 當(dāng)用 RSET 代替 (V{SET}/I{SET}) 時(shí)，方程簡(jiǎn)化為： [t{OUT }=frac{N{DIV } cdot R_{SET}}{50 k Omega} cdot 1.024 ms]

2.3 DIVCODE 設(shè)置

DIV 引腳連接到一個(gè)內(nèi)部的 (V^{+}) 參考 4 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，用于確定 DIVCODE 值。DIVCODE 主要用于設(shè)置兩個(gè)參數(shù)：

1. 輸出頻率分頻設(shè)置 (N_{DIV })：通過(guò)電阻分壓器設(shè)置 DIV 引腳電壓 (V{DIV })，進(jìn)而確定 (N{DIV }) 的值。
2. RST 和 OUT 引腳的極性：通過(guò) POL 位控制，當(dāng) POL = 0 時(shí)，RST 為高電平有效，強(qiáng)制 OUT 為低電平；當(dāng) POL = 1 時(shí)，RST 為低電平有效，強(qiáng)制 OUT 為高電平。

2.4 RST 引腳和極性控制

需要注意的是，RST 引腳不會(huì)影響主振蕩器的頻率和相位，即使 RST 處于有效狀態(tài)，LTC6991 內(nèi)部仍會(huì)繼續(xù)振蕩。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 “心跳”定時(shí)器和看門(mén)狗定時(shí)器

LTC6991 可用于生成周期性的“心跳”信號(hào)，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。同時(shí)，作為看門(mén)狗定時(shí)器，它可以在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)復(fù)位，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2 間隔定時(shí)器

在時(shí)間間隔攝影中，LTC6991 可作為間隔定時(shí)器，按照預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔激活快門(mén)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔攝影功能。

3.3 周期性“喚醒”功能

在低功耗系統(tǒng)中，LTC6991 可用于周期性地喚醒系統(tǒng)，使其在需要時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，從而降低系統(tǒng)的功耗。

3.4 高振動(dòng)、高加速度環(huán)境

由于其寬工作溫度范圍和低功耗特性，LTC6991 適用于高振動(dòng)、高加速度的環(huán)境，如汽車(chē)、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

3.5 便攜式和電池供電設(shè)備

低功耗的特點(diǎn)使得 LTC6991 非常適合用于便攜式和電池供電的設(shè)備，延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 基本設(shè)計(jì)步驟

1. 選擇 POL 位設(shè)置：根據(jù)應(yīng)用需求選擇正常（高電平有效）或反相（低電平有效）模式。
2. 選擇 (N_{DIV }) 頻率分頻值：根據(jù)所需的輸出時(shí)鐘周期，選擇合適的 (N{DIV }) 值，使其滿(mǎn)足 (frac{t{OUT }}{16.384 ms} leq N{DIV } leq frac{t{OUT }}{1.024 ms})。為了最小化電源電流，通常選擇最低的 (N_{DIV }) 值。
3. 計(jì)算并選擇 RSET：使用公式 (R{SET }=frac{50 k}{1.024 ms} cdot frac{t{OUT }}{N_{DIV }}) 計(jì)算 RSET 的值，并選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻值。

4.2 電源旁路和 PCB 布局

1. 電源旁路：將旁路電容 C1 直接連接到 (V^{+}) 和 GND 引腳，使用低電感路徑。C1 應(yīng)選擇 0.1μF 的陶瓷電容。
2. 元件布局：將所有無(wú)源元件放置在電路板的頂層，以最小化走線電感。
3. RSET 連接：將 RSET 盡可能靠近 SET 引腳，并進(jìn)行直接、短的連接，以減少信號(hào)干擾。
4. 屏蔽設(shè)置：使用接地走線屏蔽 SET 引腳，防止輻射信號(hào)的干擾。
5. DIV 引腳連接：將 R1 和 R2 靠近 DIV 引腳，進(jìn)行直接、短的連接，以減少外部信號(hào)耦合。

五、典型應(yīng)用電路

5.1 5 秒開(kāi)/關(guān)定時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)器

該電路使用 LTC6991 控制繼電器的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn) 5 秒的開(kāi)/關(guān)定時(shí)功能。

5.2 1.5ms 無(wú)線電控制伺服參考脈沖發(fā)生器

用于生成 1.5ms 的參考脈沖，為無(wú)線電控制伺服系統(tǒng)提供精確的定時(shí)信號(hào)。

5.3 循環(huán)（10 秒開(kāi)/關(guān)）對(duì)稱(chēng)電源

通過(guò) LTC6991 控制電源的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn) 10 秒的開(kāi)/關(guān)循環(huán)，為對(duì)稱(chēng)電源提供定時(shí)控制。

5.4 隔離交流負(fù)載閃光燈

該電路使用 LTC6991 控制交流負(fù)載的閃爍，實(shí)現(xiàn)定時(shí)閃爍功能。

5.5 間隔（雨刮器）定時(shí)器

用于雨刮器的定時(shí)控制，根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔控制雨刮器的工作。

六、總結(jié)

LTC6991 作為一款多功能低頻率振蕩器，具有寬周期范圍、低頻率誤差、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種定時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選擇 POL 位、(N_{DIV }) 值和 RSET 電阻，并注意電源旁路和 PCB 布局，能夠充分發(fā)揮 LTC6991 的性能。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類(lèi)似的定時(shí)需求？你會(huì)選擇 LTC6991 來(lái)解決這些問(wèn)題嗎？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。