深入解析LTM8033：超低噪聲EMC的36V輸入、3A DC/DC μModule穩(wěn)壓器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。今天要給大家介紹的是Linear Technology的LTM8033，一款超低噪聲EMC的36V輸入、3A DC/DC μModule穩(wěn)壓器，它在多個(gè)應(yīng)用場景中都有著出色的表現(xiàn)。

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一、產(chǎn)品概述

LTM8033是一款電磁兼容（EMC）的36V、3A DC/DC μModule降壓轉(zhuǎn)換器，旨在滿足EN55022的輻射發(fā)射要求。只需添加標(biāo)準(zhǔn)濾波組件，就能滿足傳導(dǎo)發(fā)射要求。其內(nèi)部集成了開關(guān)控制器、功率開關(guān)、電感器、濾波器及所有支持組件，輸入電壓范圍為3.6V至36V，輸出電壓范圍為0.8V至24V，開關(guān)頻率范圍為200kHz至2.4MHz，每個(gè)參數(shù)都可通過單個(gè)電阻設(shè)置。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

2.1 全面的降壓開關(guān)模式電源

提供完整的降壓開關(guān)模式電源解決方案，輸入電壓范圍寬達(dá)3.6V至36V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。

2.2 高輸出能力

可提供高達(dá)3A的輸出電流，輸出電壓范圍為0.8V至24V，能滿足不同負(fù)載的需求。

2.3 電磁兼容性

符合EN55022 Class B標(biāo)準(zhǔn)，輻射噪聲極低，能有效減少電磁干擾，適用于對電磁環(huán)境要求較高的應(yīng)用場合。

2.4 靈活的電流共享

可通過電流共享功能將多個(gè)LTM8033穩(wěn)壓器并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)超過3A的輸出電流。

2.5 可選擇的開關(guān)頻率

開關(guān)頻率可在200kHz至2.4MHz之間選擇，方便工程師根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化。

2.6 電流模式控制

采用電流模式控制，能提供更好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.7 環(huán)保設(shè)計(jì)

有SnPb或RoHS兼容的引腳鍍層，符合環(huán)保要求。

2.8 可編程軟啟動(dòng)

具備可編程軟啟動(dòng)功能，可減少啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。

2.9 緊湊封裝

采用緊湊的封裝形式，如11.25mm × 15mm × 4.32mm的LGA和11.25mm × 15mm × 4.92mm的BGA封裝，適合自動(dòng)化表面貼裝設(shè)備進(jìn)行組裝。

三、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

3.1 汽車電池調(diào)節(jié)

在汽車電子系統(tǒng)中，需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)。LTM8033的寬輸入電壓范圍和高輸出能力，能滿足汽車電池電壓波動(dòng)較大的特點(diǎn)，為汽車電子設(shè)備提供可靠的電源。

3.2 便攜式產(chǎn)品供電

對于便攜式產(chǎn)品，如智能手機(jī)、平板電腦等，對電源的體積和效率要求較高。LTM8033的緊湊封裝和高效性能，能滿足便攜式產(chǎn)品的需求。

3.3 分布式電源調(diào)節(jié)

在分布式電源系統(tǒng)中，需要多個(gè)電源模塊協(xié)同工作。LTM8033的電流共享功能，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊的并聯(lián)，為分布式電源系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

3.4 工業(yè)電源

工業(yè)環(huán)境對電源的穩(wěn)定性和可靠性要求較高。LTM8033的電磁兼容性和高輸出能力，能滿足工業(yè)電源的需求。

3.5 墻式變壓器調(diào)節(jié)

墻式變壓器的輸出電壓可能存在波動(dòng)，LTM8033可對其輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，提供穩(wěn)定的電源。

四、電氣特性分析

4.1 輸入輸出參數(shù)

• 最小輸入電壓為3.6V，輸出DC電壓范圍為0.8V至24V，輸出DC電流最大可達(dá)3A。
• 靜態(tài)電流方面，流入VIN和BIAS的靜態(tài)電流在不同條件下有不同的值，具體可參考文檔中的參數(shù)表。

  4.2 調(diào)節(jié)特性

• 線路調(diào)節(jié)率在5.5V < VIN < 36V時(shí)為0.3%，負(fù)載調(diào)節(jié)率在0A < IOUT < 3A、VIN = 24V時(shí)為0.4%，能保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

  4.3 開關(guān)頻率

  開關(guān)頻率可通過RT引腳連接的電阻進(jìn)行編程，例如RT = 45.3k時(shí)，開關(guān)頻率為780kHz。

  4.4 其他特性

• ADJ引腳電壓為775 - 805mV，從ADJ引腳流出的電流在ADJ = 1V、VOUT = 0V時(shí)為2μA。
• 最小BIAS電壓為2 - 2.8V，RUN/SS引腳電流在RUN/SS = 2.5V時(shí)為5 - 10μA。

五、典型性能特性

5.1 效率曲線

文檔中給出了不同輸出電壓（如2.5V、3.3V、5V、8V、12V、18V等）在不同輸入電壓（如5.5V、12V、24V、36V等）下的效率曲線。從曲線中可以看出，LTM8033在不同工況下都能保持較高的效率，為系統(tǒng)節(jié)省能源。

5.2 偏置電流與負(fù)載電流關(guān)系

偏置電流與負(fù)載電流的關(guān)系曲線顯示，在不同輸出電壓下，偏置電流隨著負(fù)載電流的變化而變化。了解這些關(guān)系有助于工程師在設(shè)計(jì)時(shí)合理選擇電源模塊，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

5.3 輸入電流與輸出電流關(guān)系

輸入電流與輸出電流的關(guān)系曲線表明，輸入電流隨著輸出電流的增加而增加，同時(shí)也受到輸入電壓的影響。這對于評估系統(tǒng)的功耗和電源需求非常重要。

5.4 輻射發(fā)射特性

文檔中給出了不同輸入輸出條件下的輻射發(fā)射曲線，顯示LTM8033的輻射噪聲極低，符合EN55022 Class B標(biāo)準(zhǔn)。

5.5 溫度上升特性

溫度上升與負(fù)載電流的關(guān)系曲線顯示，在不同輸出電壓和輸入電壓下，溫度上升隨著負(fù)載電流的增加而增加。這提醒工程師在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮散熱問題，確保電源模塊在合適的溫度范圍內(nèi)工作。

六、引腳功能詳解

6.1 VOUT（Bank 1）

功率輸出引腳，用于連接輸出濾波電容和負(fù)載，與GND引腳配合使用。

6.2 GND（A8, Bank 2）

接地引腳，應(yīng)連接到LTM8033下方的局部接地平面和電路組件，反饋分壓器（RADJ）也應(yīng)連接到該網(wǎng)絡(luò)。

6.3 FIN（Bank 3）

濾波輸入引腳，是輸入EMI濾波器后的節(jié)點(diǎn)，需根據(jù)表1推薦的電容值連接電容。若需要修改集成EMI濾波器的特性，可添加額外的電容；否則，可將這些引腳不連接。

6.4 VIN（Bank 4）

為LTM8033的內(nèi)部穩(wěn)壓器和內(nèi)部功率開關(guān)提供電流，必須使用外部低ESR電容進(jìn)行局部旁路，具體電容值可參考表1。同時(shí)，要確保VIN + BIAS小于56V。

6.5 SHARE（Pin A6）

在并聯(lián)輸出時(shí)，將該引腳連接到另一個(gè)LTM8033的SHARE引腳；否則，不連接。

6.6 ADJ（Pin A7）

LTM8033將其ADJ引腳調(diào)節(jié)到0.79V，通過連接調(diào)節(jié)電阻到地來設(shè)置輸出電壓，電阻值可根據(jù)公式RADJ = 394.21 / (VOUT - 0.79)計(jì)算。

6.7 RT（Pin B6）

用于通過連接電阻到地來編程LTM8033的開關(guān)頻率，數(shù)據(jù)手冊的應(yīng)用信息部分提供了根據(jù)所需開關(guān)頻率確定電阻值的表格。

6.8 SYNC（Pin B8）

外部時(shí)鐘同步輸入引腳。接地時(shí)，可實(shí)現(xiàn)低輸出負(fù)載下的低紋波Burst Mode?操作；連接到大于0.7V的穩(wěn)定電壓源時(shí)，可禁用Burst Mode操作。注意不要讓該引腳浮空。

6.9 PGOOD（Pin B7）

內(nèi)部比較器的開集輸出引腳，當(dāng)ADJ引腳電壓大于最終調(diào)節(jié)電壓的90%時(shí)，PGOOD引腳保持低電平。當(dāng)VIN高于3.6V且RUN/SS為高電平時(shí)，PGOOD輸出有效。若不使用該功能，可讓該引腳浮空。

6.10 AUX（Pin G3）

為BIAS提供低電流電壓源，在許多設(shè)計(jì)中，BIAS引腳可直接連接到VOUT。AUX引腳內(nèi)部連接到VOUT，與BIAS引腳相鄰，便于印刷電路板布線。但該引腳不適合提供大電流，不要將其連接到負(fù)載。若不連接到BIAS，可讓其浮空。

6.11 BIAS（Pin G4）

連接到內(nèi)部電源總線，需連接到大于2.8V且小于25V的電源。若輸出電壓大于2.8V，可將該引腳連接到輸出；若輸出電壓較小，可連接到2.8V至25V的電壓源，但要確保VIN + BIAS小于56V。

6.12 RUN/SS（Pin G8）

將該引腳拉至0.2V以下可關(guān)閉LTM8033，連接到2.5V或更高電壓可正常工作。若不使用關(guān)機(jī)功能，可將該引腳連接到VIN引腳。此外，RUN/SS還提供軟啟動(dòng)功能。

七、工作原理剖析

7.1 整體架構(gòu)

LTM8033是一個(gè)獨(dú)立的非隔離降壓開關(guān)DC/DC電源，內(nèi)部包含EMI濾波器、電流模式控制器、功率開關(guān)元件、功率電感器、功率肖特基二極管以及適量的輸入和輸出電容。

7.2 開關(guān)頻率設(shè)置

它是一個(gè)固定頻率的PWM穩(wěn)壓器，開關(guān)頻率可通過將合適的電阻值從RT引腳連接到GND來設(shè)置。

7.3 內(nèi)部電源供應(yīng)

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BIAS引腳連接到高于2.8V的外部電壓，則偏置電源將從外部源（通常是調(diào)節(jié)后的輸出電壓）獲取，這樣可以提高效率。

7.4 輕載優(yōu)化

在輕負(fù)載情況下，LTM8033會(huì)自動(dòng)切換到Burst Mode操作，在脈沖之間關(guān)閉與控制輸出開關(guān)相關(guān)的所有電路，將輸入電源電流降低到典型應(yīng)用中的50μA，從而進(jìn)一步優(yōu)化效率。

7.5 頻率折返

當(dāng)ADJ引腳電壓較低時(shí)，振蕩器會(huì)降低LTM8033的工作頻率，這種頻率折返有助于在啟動(dòng)和過載時(shí)控制輸出電流。

7.6 電源良好檢測

LTM8033包含一個(gè)電源良好比較器，當(dāng)ADJ引腳電壓約為其調(diào)節(jié)值的90%時(shí)觸發(fā)。PGOOD輸出是一個(gè)開集晶體管，當(dāng)輸出處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)關(guān)閉，允許外部電阻將PGOOD引腳拉高。當(dāng)LTM8033啟用且VIN高于3.6V時(shí)，電源良好信號有效。

7.7 熱關(guān)斷保護(hù)

LTM8033配備了熱關(guān)斷功能，在高結(jié)溫時(shí)會(huì)抑制功率開關(guān)。但該功能的激活閾值高于125°C，以避免干擾正常操作。長時(shí)間或重復(fù)在熱關(guān)斷激活的條件下運(yùn)行可能會(huì)損壞或降低設(shè)備的可靠性。

八、應(yīng)用信息要點(diǎn)

8.1 設(shè)計(jì)流程

對于大多數(shù)應(yīng)用，設(shè)計(jì)過程相對簡單：

• 查看表1，找到所需的輸入范圍和輸出電壓對應(yīng)的行。
• 應(yīng)用推薦的CIN、CFIN、COUT、RADJ和RT值。
• 按照指示連接BIAS。

  8.2 電容選擇

  表1中給出的CIN、CFIN和Cout電容值是相關(guān)操作條件下的最小推薦值，不建議使用低于表中指示的電容值，否則可能導(dǎo)致不良操作。使用較大的值通常是可以接受的，并且在必要時(shí)可以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但用戶需要在預(yù)期系統(tǒng)的線路、負(fù)載和環(huán)境條件下驗(yàn)證操作的正確性。

  8.3 頻率選擇

  LTM8033的開關(guān)頻率可通過將電阻從RT引腳連接到地來編程，范圍為200kHz至2.4MHz。表2提供了RT電阻值及其對應(yīng)的頻率列表。建議用戶根據(jù)輸入和輸出操作條件應(yīng)用表1中給出的最佳RT值，但系統(tǒng)級或其他考慮因素可能需要選擇其他操作頻率。選擇不當(dāng)?shù)念l率可能會(huì)導(dǎo)致在某些操作或故障條件下出現(xiàn)不良操作。

  8.4 BIAS引腳考慮

  BIAS引腳用于為內(nèi)部功率開關(guān)級提供驅(qū)動(dòng)電源并操作其他內(nèi)部電路，必須由至少2.8V的電源供電。如果輸出電壓編程為2.8V或更高，BIAS可以直接連接到VOUT；如果VOUT小于2.8V，BIAS可以連接到VIN或其他電壓源。BIAS引腳電壓過高可能會(huì)影響LTM8033的效率，最佳BIAS電壓取決于許多因素，如負(fù)載電流、輸入電壓、輸出電壓和開關(guān)頻率，但在許多應(yīng)用中，4V至5V的電壓效果較好。在所有情況下，要確保BIAS引腳的最大電壓小于25V，且VIN和BIAS的總和小于56V。如果BIAS電源來自遠(yuǎn)程或嘈雜的電壓源，可能需要在引腳處局部應(yīng)用去耦電容。

  8.5 負(fù)載共享

  可以將兩個(gè)或多個(gè)LTM8033并聯(lián)以產(chǎn)生更高的電流。為此，將所有并聯(lián)的LTM8033的VIN、ADJ、VOUT和SHARE引腳連接在一起。為確保并聯(lián)模塊一起啟動(dòng)，也可以將RUN/SS引腳連接在一起。如果RUN/SS引腳不連接在一起，要確保每個(gè)模塊使用相同值的軟啟動(dòng)電容。通過同步LTM8033可以提高電流共享效果。

  8.6 Burst Mode操作

  為了在輕負(fù)載下提高效率，LTM8033會(huì)自動(dòng)切換到Burst Mode操作，在保持輸出電容充電到適當(dāng)電壓的同時(shí)最小化輸入靜態(tài)電流。在Burst Mode操作期間，LTM8033向輸出電容提供單周期電流脈沖，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。此外，在睡眠期間，VIN和BIAS的靜態(tài)電流分別通常降低到30μA和75μA。隨著負(fù)載電流向空載條件減小，LTM8033在睡眠模式下運(yùn)行的時(shí)間百分比增加，平均輸入電流大大降低，從而提高了效率。通過將SYNC連接到GND啟用Burst Mode操作，將SYNC連接到高于0.7V的穩(wěn)定電壓可禁用Burst Mode操作。注意不要讓SYNC引腳浮空。

  8.7 最小輸入電壓

  LTM8033是降壓轉(zhuǎn)換器，需要一定的裕量來保持輸出調(diào)節(jié)。啟動(dòng)所需的輸入電壓高于運(yùn)行所需的電壓，并且取決于BIAS電源以及是否使用RUN/SS。如果在Vout上升之前有BIAS可用，則啟動(dòng)所需的最小VIN電壓可能會(huì)降低。典型性能特性部分中的曲線顯示了不同輸出電壓下的最小輸入電壓與負(fù)載電流的關(guān)系。

  8.8 軟啟動(dòng)

  RUN/SS引腳可用于軟啟動(dòng)LTM8033，減少啟動(dòng)期間的最大輸入電流。通過外部RC濾波器驅(qū)動(dòng)RUN/SS引腳，在該引腳處創(chuàng)建電壓斜坡。選擇合適的RC時(shí)間常數(shù)可以將啟動(dòng)峰值電流降低到調(diào)節(jié)輸出所需的電流，而不會(huì)出現(xiàn)過沖。選擇電阻值時(shí)，要確保當(dāng)RUN/SS引腳達(dá)到2.5V時(shí)，它能夠提供至少20μA的電流。

  8.9 頻率折返

  LTM8033配備了頻率折返功能，在短路或輸出過載條件下，可減少內(nèi)部功率元件的熱和能量應(yīng)力。如果LTM8033檢測到輸出超出調(diào)節(jié)范圍，開關(guān)頻率將根據(jù)輸出低于目標(biāo)電壓的程度而降低，從而限制在故障情況下可傳遞到負(fù)載的能量。在啟動(dòng)期間，頻率折返也會(huì)起作用，以限制傳遞到負(fù)載可能較大的輸出電容的能量。

  8.10 同步

  LTM8033的內(nèi)部振蕩器可以通過向SYNC引腳施加250kHz至2MHz的外部時(shí)鐘進(jìn)行同步。不要讓該引腳浮空。如果不使用同步功能，將SYNC引腳接地。同步LTM8033時(shí)，選擇與預(yù)期同步頻率低20%的RT電阻值。此外，SYNC引腳還控制Burst Mode行為。如果SYNC引腳由外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)或拉高到高于0.7V，LTM8033將不會(huì)進(jìn)入Burst Mode操作，而是跳過脈沖以保持調(diào)節(jié)。

  8.11 短路輸入保護(hù)

  在某些系統(tǒng)中，當(dāng)LTM8033的輸入缺失時(shí)，輸出可能會(huì)保持高電平，例如在電池充電應(yīng)用或電池備份系統(tǒng)中。如果VIN引腳浮空且RUN/SS引腳保持高電平（通過邏輯信號或連接到VIN），LTM8033的內(nèi)部電路將通過其內(nèi)部功率開關(guān)汲取靜態(tài)電流。如果系統(tǒng)能夠容忍這種狀態(tài)下的幾毫安電流，這是可以接受的。如果將RUN/SS引腳接地，SW引腳電流將基本降至零。但如果在輸出保持高電平時(shí)將VIN引腳接地，LTM8033內(nèi)部的寄生二極管可能會(huì)從輸出通過VIN引腳汲取大電流。文檔中給出了一個(gè)電路示例，該電路僅在輸入電壓存在時(shí)運(yùn)行，并能防止輸入短路或反接。

  8.12 PCB布局

  盡管LTM8033的高度集成減輕或消除了許多PCB布局方面的問題，但它仍然是