深入剖析LM5009：寬輸入降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的卓越之選

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，選擇一款合適的開關(guān)穩(wěn)壓器至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的LM5009寬輸入降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，看看它有哪些獨(dú)特的特性和優(yōu)勢，能為我們的設(shè)計(jì)帶來怎樣的便利。

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一、LM5009的基本特性

（一）產(chǎn)品定位與替代選擇

LM5009是一款功能強(qiáng)大的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，不過TI也推出了更新的產(chǎn)品LM5163，它是一款100 - V、0.5 - A同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有減少BOM數(shù)量、縮小解決方案尺寸、降低靜態(tài)工作電流等諸多優(yōu)勢。大家在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)具體需求來選擇。

（二）核心特性亮點(diǎn)

1. 集成與輸出能力：集成了N溝道MOSFET，具備150 - mA的輸出電流能力，能滿足不少中小功率負(fù)載的需求。
2. 響應(yīng)與頻率：擁有超快速的瞬態(tài)響應(yīng)，無需進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償。其輸入電壓（(V_{IN})）前饋功能可提供恒定的工作頻率，開關(guān)頻率能超過600 kHz。
3. 效率與精度：工作效率高，在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內(nèi)，具有2%精度的2.5 - V反饋電壓。
4. 保護(hù)與控制：具備內(nèi)部啟動(dòng)穩(wěn)壓器、智能電流限制保護(hù)、外部關(guān)機(jī)控制和熱關(guān)斷等功能，保障了芯片的穩(wěn)定運(yùn)行。
5. 封裝形式：提供8引腳VSSOP和熱增強(qiáng)型8引腳WSON封裝，方便不同的PCB布局需求。

二、應(yīng)用場景廣泛

LM5009的應(yīng)用場景十分豐富，主要包括以下幾個(gè)方面：

1. 替代傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器：可用于消除傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器應(yīng)用中的散熱片，提高系統(tǒng)效率。
2. 交流整流系統(tǒng)：適用于12 - V、24 - V、36 - V和48 - V的交流整流系統(tǒng)，為這些系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換。
3. 非隔離電源：可用于非隔離交流市電電荷耦合電源，滿足特定的電源需求。
4. LED電流源：作為LED電流源使用，為LED提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流。

三、詳細(xì)工作原理與特性

（一）整體概述

LM5009是一款低成本、高效的降壓偏置電源轉(zhuǎn)換器，基于一種導(dǎo)通時(shí)間與(V{IN})成反比的控制方案，無需環(huán)路補(bǔ)償。電流限制采用與輸出電壓（(V{OUT})）成反比的強(qiáng)制關(guān)斷時(shí)間，確保短路保護(hù)并實(shí)現(xiàn)最小折返。

（二）控制電路與工作模式

1. 控制原理：通過比較器和導(dǎo)通時(shí)間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來控制，將輸出電壓反饋（FB）與內(nèi)部2.5 - V參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)FB低于參考電壓時(shí)，降壓開關(guān)導(dǎo)通一段由線電壓和編程電阻（(R_{ON})）決定的固定時(shí)間。
2. 工作模式
   • 輕載時(shí)的不連續(xù)導(dǎo)通模式：在輕負(fù)載電流時(shí)，LM5009工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式，輸出電感電流在導(dǎo)通時(shí)間從零上升到峰值，在關(guān)斷時(shí)間結(jié)束前回到零。這種模式下，工作頻率低于連續(xù)導(dǎo)通模式，且隨負(fù)載電流變化。由于開關(guān)損耗隨負(fù)載和頻率降低而減少，因此在輕載時(shí)能保持較高的轉(zhuǎn)換效率。不連續(xù)工作頻率可通過公式(F=frac{V{OUT }^{2} × L × 1.28 × 10^{20}}{R{L} timesleft(R_{ON}right)^{2}})計(jì)算。
   • 重載時(shí)的連續(xù)導(dǎo)通模式：在重負(fù)載電流時(shí)，工作在連續(xù)導(dǎo)通模式，電感電流連續(xù)流動(dòng)且不會(huì)降為零。此模式下，工作頻率高于不連續(xù)模式，并且在負(fù)載和線電壓變化時(shí)保持相對(duì)恒定。近似連續(xù)模式工作頻率可通過公式(F=frac{V{OUT }}{1.25 × 10^{-10} × R{ON}})計(jì)算。

（三）關(guān)鍵特性詳解

1. 高壓啟動(dòng)穩(wěn)壓器：內(nèi)部集成高壓啟動(dòng)穩(wěn)壓器，輸入引腳（(V{IN})）可直接連接高達(dá)95 - V的線電壓，具有100 - V的瞬態(tài)能力，內(nèi)部電流限制為9.5 mA。上電時(shí)，穩(wěn)壓器向(V{CC})引腳的外部電容提供電流，當(dāng)(V{CC})引腳電壓達(dá)到6.3 - V的欠壓鎖定閾值時(shí)，降壓開關(guān)啟用。在(V{IN})較高的應(yīng)用中，可通過將輔助電壓二極管連接到(V_{CC})引腳（8 - V至14 - V）來關(guān)閉內(nèi)部穩(wěn)壓器，降低內(nèi)部功耗。
2. 調(diào)節(jié)與過壓比較器
   • 調(diào)節(jié)比較器：將FB引腳的反饋電壓與內(nèi)部2.5 - V參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)FB低于2.5 - V時(shí)啟動(dòng)導(dǎo)通時(shí)間，降壓開關(guān)導(dǎo)通，使FB電壓上升。導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束后，開關(guān)關(guān)斷，直到FB再次低于2.5 - V。FB引腳的偏置電流在整個(gè)溫度范圍內(nèi)小于5 nA。
   • 過壓比較器：將FB電壓與內(nèi)部2.875 - V參考電壓比較，若FB超過2.875 - V，立即終止導(dǎo)通時(shí)間脈沖。直到FB電壓降至2.5 - V以下，開關(guān)才會(huì)再次導(dǎo)通。
3. 導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生器：導(dǎo)通時(shí)間由(R{ON})電阻決定，與輸入電壓（(V{IN})）成反比，從而在(V{IN})變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)近乎恒定的頻率。導(dǎo)通時(shí)間公式為(T{ON}=1.25 × 10^{-10} × R{ON} / V{IN})。為確保正確的電流限制操作，在最大(V{IN})時(shí)，(R{ON})應(yīng)選擇使最小導(dǎo)通時(shí)間大于250 ns。
4. 電流限制：具備智能電流限制關(guān)斷定時(shí)器，當(dāng)降壓開關(guān)電流超過0.31 A時(shí)，立即終止當(dāng)前周期并啟動(dòng)不可復(fù)位的關(guān)斷定時(shí)器。關(guān)斷時(shí)間由外部電阻（(R{CL})）和FB電壓控制，當(dāng)(FB = 0 V)時(shí)，關(guān)斷時(shí)間預(yù)設(shè)為35 μs，確保在最大輸入電壓95 - V下的安全短路操作。在非短路過載情況下，關(guān)斷時(shí)間小于35 μs，可減少折返、恢復(fù)時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間計(jì)算公式為(T{OFF }=frac{10^{-5}}{0.285+frac{V{FB}}{left(6.35 × 10^{-6} × R{CL}right)}})。同時(shí)，電流限制檢測電路在每個(gè)導(dǎo)通時(shí)間的前50 ns至70 ns被屏蔽，以防止因開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的電流浪涌而誤觸發(fā)。
5. N溝道降壓開關(guān)和驅(qū)動(dòng)器：集成N溝道降壓開關(guān)和相關(guān)的浮動(dòng)高壓柵極驅(qū)動(dòng)器，與外部自舉電容和內(nèi)部高壓二極管配合工作。在導(dǎo)通時(shí)間，連接在BST引腳和SW引腳之間的0.022 - μF陶瓷電容為驅(qū)動(dòng)器提供電壓。在每個(gè)關(guān)斷時(shí)間，SW引腳約為 - 1 V，自舉電容通過內(nèi)部二極管從(V_{CC})充電。外部續(xù)流二極管（D1）在內(nèi)部降壓開關(guān)關(guān)斷后承載電感電流，應(yīng)選用超快或肖特基類型以減少導(dǎo)通損耗和電流過沖。
6. 熱保護(hù)：正常工作時(shí)，應(yīng)確保LM5009的結(jié)溫不超過125°C。內(nèi)部熱關(guān)斷電路在結(jié)溫過高（通常為165°C）時(shí)啟動(dòng)，將控制器強(qiáng)制進(jìn)入低功耗復(fù)位狀態(tài)，禁用降壓開關(guān)，防止因過熱導(dǎo)致的災(zāi)難性故障。當(dāng)結(jié)溫降至140°C（典型滯后25°C）以下時(shí)，降壓開關(guān)重新啟用，恢復(fù)正常工作。

四、典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)要求

以一個(gè)典型的降壓應(yīng)用電路為例，其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

• 輸入電壓范圍：9.5 - V至95 - V
• 輸出電壓：10 - V
• 負(fù)載電流范圍：50 - mA至200 - mA
• 標(biāo)稱開關(guān)頻率：330 - kHz

（二）詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

1. 輸出電阻分壓器選擇：根據(jù)公式(V{OUT}=V{FB} times(R 1 + R 2) / R 2)（(V_{FB}=2.5 V)），可得(R1)與(R2)的比值為3:1。選擇標(biāo)準(zhǔn)值3.01 kΩ（(R1)）和1.00 kΩ（(R2)），這樣在主負(fù)載斷開時(shí)能提供少量輸出負(fù)載（2.5 mA），使電路保持調(diào)節(jié)狀態(tài)，直到主負(fù)載重新連接。
2. 頻率選擇：除非應(yīng)用有特定頻率要求，頻率選擇通常需要權(quán)衡，因?yàn)樗鼤?huì)影響電感（(L1)）和電容（(C2)）的尺寸以及開關(guān)損耗?；谧钚?dǎo)通時(shí)間250 ns，可計(jì)算出最大允許頻率(F{MAX}=V{OUT } /left( V{INMAX } × 250 nsright))，在此例中(F{MAX}=444 kHz)。根據(jù)公式(F=frac{V{OUT }}{1.25 × 10^{-10} × R{ON}})計(jì)算出(R_{ON}=180 kΩ)，考慮到公式中的公差，選用標(biāo)準(zhǔn)值237 - kΩ電阻，得到標(biāo)稱頻率337 - kHz。
3. 電感選擇：電感主要影響輸出電流紋波幅度，其值的選擇需考慮最小和最大負(fù)載電流。
   • 最小負(fù)載電流：為在最小負(fù)載電流（(I {0}=100 mA)）時(shí)保持連續(xù)導(dǎo)通，紋波幅度（(IOR)）必須小于200 mA峰 - 峰值。使用公式(L 1=frac{V{OUT 1} timesleft(V{IN }-V{OUT 1}right)}{I{OR } × F{S} × V{IN}})計(jì)算，在(V{IN}=90 V)時(shí)，(L1)（min）計(jì)算為132 μH，選擇下一個(gè)較大的標(biāo)準(zhǔn)值150 μH。此時(shí)，在(V{IN}=90 V)時(shí)(IOR)計(jì)算為176 mA峰 - 峰值，在(V{IN}=12 V)時(shí)為33 mA峰 - 峰值。
   • 最大負(fù)載電流：在負(fù)載電流為150 mA時(shí)，紋波波形的峰值不得達(dá)到LM5009電流限制閾值的最小值（250 mA），即紋波幅度必須小于200 mA峰 - 峰值。在(L1 = 150 mu H)、最大(V{IN})和(I{0})時(shí)，紋波峰值為238 mA。因此，(L1)必須能夠承受該峰值電流而不發(fā)生飽和或超過其溫度額定值。

五、總結(jié)

LM5009寬輸入降壓開關(guān)穩(wěn)壓器憑借其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用場景和相對(duì)簡單的設(shè)計(jì)流程，成為電子工程師在電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)不錯(cuò)選擇。不過，在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)環(huán)境，仔細(xì)考慮各個(gè)參數(shù)的選擇和優(yōu)化，以確保電路的性能和穩(wěn)定性。大家在使用LM5009進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，是否也遇到過一些獨(dú)特的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。