LTC1149/LTC1149 - 3.3/LTC1149 - 5：高效同步降壓開關穩(wěn)壓器的設計指南

在電子設計領域，電源管理是一個關鍵環(huán)節(jié)，而降壓開關穩(wěn)壓器在其中扮演著重要角色。今天，我們就來深入探討一下 Linear Technology 公司的 LTC1149 系列高效同步降壓開關穩(wěn)壓器。

文件下載：DC024A-B.pdf

一、產(chǎn)品概述

LTC1149 系列是一系列同步降壓開關穩(wěn)壓器控制器，具備自動 Burst Mode? 操作功能，能在低輸出電流時保持高效率。它采用恒定關斷時間電流模式架構(gòu)，可驅(qū)動外部互補功率 MOSFET，開關頻率最高可達 250kHz。該系列產(chǎn)品能在輸入電壓從壓降值到 48V（絕對最大 60V）的范圍內(nèi)工作，具有出色的線路和負載瞬態(tài)響應。

1. 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：可承受高達 48V 的輸入電壓，適用于多種不同的電源環(huán)境。
• 超高效率：效率最高可達 95%，能有效降低功耗。
• 電流模式操作：提供出色的線路和負載瞬態(tài)響應，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 寬電流范圍內(nèi)保持高效率：在不同負載電流下都能維持良好的效率表現(xiàn)。
• 邏輯控制微功耗關斷：可通過邏輯信號控制進入低功耗關斷模式，降低待機功耗。
• 短路保護：具備短路保護功能，增強了電路的安全性。
• 極低壓降操作：可實現(xiàn) 100% 占空比，在輸入電壓接近輸出電壓時仍能正常工作。
• 同步 FET 開關：采用同步 FET 開關技術，提高效率。
• 自適應非重疊柵極驅(qū)動：確保 MOSFET 的可靠開關，避免同時導通。
• 封裝形式：提供 16 引腳窄型 SO 封裝，便于 PCB 布局。

2. 應用領域

• 筆記本和掌上電腦：為其提供穩(wěn)定的電源供應。
• 便攜式儀器：滿足便攜式設備對電源效率和體積的要求。
• 電池供電數(shù)字設備：延長電池續(xù)航時間。
• 工業(yè)電源分配：適用于工業(yè)環(huán)境中的電源系統(tǒng)。
• 航空電子系統(tǒng)：為航空電子設備提供可靠的電源。
• 電信電源：滿足電信設備對電源穩(wěn)定性和效率的需求。

二、電氣特性

1. 電壓和電流參數(shù)

• 輸入電源電壓：范圍為 - 15V 至 60V。
• VCC 輸出電流：最大為 50mA。
• VCC 輸入電壓：最大為 16V。
• 連續(xù)輸出電流：最大為 50mA。
• 感測電壓：最大為 7V。
• 關斷電壓：最大為 7V。

2. 溫度范圍

• 工作溫度范圍：0°C 至 70°C（擴展商用級 - 40°C 至 85°C）。
• 結(jié)溫：最大為 125°C。
• 存儲溫度范圍： - 65°C 至 150°C。
• 引腳焊接溫度：10 秒內(nèi)為 300°C。

3. 其他特性參數(shù)

• 反饋電壓：LTC1149 為 1.21 - 1.29V（典型 1.25V）。
• 輸出電壓：LTC1149 - 3.3 為 3.23 - 3.43V，LTC1149 - 5 為 4.9 - 5.2V。
• 輸出電壓線路調(diào)節(jié)：在輸入電壓 9V 至 48V 變化時，調(diào)節(jié)范圍為 - 40 至 40mV。
• 輸出電壓負載調(diào)節(jié)：LTC1149 - 3.3 為 40 - 100mV，LTC1149 - 5 為 60 - 100mV。
• Burst 模式輸出紋波：最大為 50mVp - p。

三、工作原理

LTC1149 系列采用電流模式、恒定關斷時間架構(gòu)來同步切換外部互補功率 MOSFET。工作頻率由連接在定時電容引腳（Pin 6）上的外部電容設定。

1. 輸出電壓感測

• LTC1149 - 3.3 和 LTC1149 - 5 通過連接到 SENSE - 引腳（Pin 8）的內(nèi)部電阻分壓器感測輸出電壓。
• LTC1149 則通過連接到 VFB 引腳（Pin 10）的外部分壓器感測輸出電壓。

2. 工作模式

• 連續(xù)模式：當負載電流較大時，電路工作在連續(xù)模式。電流比較器監(jiān)測電感電流，當電流達到閾值時，P 溝道 MOSFET 關斷，N 溝道 MOSFET 導通，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。
• Burst 模式：當負載電流下降到連續(xù)模式所需水平以下時，電路自動進入 Burst 模式。在 Burst 模式下，部分電路關閉，降低功耗。當輸出電容電壓下降到一定程度時，P 溝道 MOSFET 再次導通，重復上述過程。

四、應用電路設計

1. 典型應用電路

基本的 LTC1149 系列應用電路如圖 1 所示。外部元件的選擇取決于輸入電壓和輸出負載要求，主要步驟如下：

• 選擇 RSENSE：根據(jù)所需輸出電流選擇 RSENSE。計算公式為 (R{SENSE }=frac{100 mV}{I{MAX}})。
• 選擇 (C_{T}) 和 L：根據(jù)所需的連續(xù)模式工作頻率計算 (C{T})，公式為 (C{T}=frac{(7.8)(10^{-5})}{f}(1 - frac{V{OUT }}{V{IN }}))。選擇電感 L 以確保電感紋波電流不超過 (frac{25 mV}{R{SENSE }})，最小電感值計算公式為 (L{MIN }=(5.1)(10^{5})(R{SENSE })(C{T})(V_{REG}))。
• 選擇功率 MOSFET 和 D1：根據(jù)輸入電壓、輸出電流等參數(shù)選擇合適的 P 溝道和 N 溝道 MOSFET 以及肖特基二極管 D1。
• 選擇 (C{IN}) 和 (C{OUT})：選擇輸入電容 (C{IN}) 以滿足最大 RMS 電流要求，計算公式為 (C{IN } Required I{RMS } approx frac{I{MAX }[V{OUT }(V{IN } - V{OUT })]^{1 / 2}}{V{IN }})。選擇輸出電容 (C{OUT}) 時，其 ESR 應小于 (2R{SENSE})，以確保電路正常工作。

2. 設計注意事項

• 電感選擇：高功率密度的設計通常需要低損耗的電感，如鐵氧體、鉬坡莫合金或 Kool Mμ? 磁芯。但要注意避免磁芯飽和，否則會導致電感紋波電流增大，影響電路性能。
• MOSFET 選擇：輸入電壓決定了 MOSFET 的閾值類型。當 (V{IN }>8V) 時，可使用標準閾值 MOSFET；當 (V{IN }) 可能低于 8V 時，建議使用邏輯電平閾值 MOSFET。同時，要考慮 MOSFET 的導通電阻 (R{DS(ON)})、反向傳輸電容 (C{RSS}) 等參數(shù)，以平衡 (I^{2}R) 損耗和過渡損耗。
• 電容選擇：輸入電容 (C{IN}) 要選擇低 ESR 的電容，以防止電壓瞬變。輸出電容 (C{OUT}) 的 ESR 對電路性能影響較大，應根據(jù) (R_{SENSE}) 選擇合適的 ESR 值。

五、效率分析

1. 效率計算公式

開關穩(wěn)壓器的效率等于輸出功率除以輸入功率乘以 100%，可表示為 %Efficiency = 100 - (L1 + L2 + L3 + ...)，其中 L1、L2 等為各項損耗占輸入功率的百分比。

2. 主要損耗來源

• LTC1149 直流電源電流：輸入電壓越高，該損耗越大。在低負載電流時，直流偏置電流占總損耗的比例較大。
• MOSFET 柵極充電電流：與輸入電壓和工作頻率成正比。工作頻率越高，柵極充電損耗越大，因此高效率電路通常工作在中等頻率。
• (I^{2}R) 損耗：由 MOSFET、電感和電流分流器的直流電阻產(chǎn)生。輸出電流越大，(I^{2}R) 損耗越大，導致效率在高輸出電流時下降。
• P 溝道過渡損耗：僅在高輸入電壓（通常 24V 或更高）時出現(xiàn)，計算公式為 (Transition Loss approx 5(V{IN})^{2}(I{MAX})(C_{RSS})(f))。

六、設計實例

假設輸入電壓 (V{IN } = 24V)，輸出電壓 (V{OUT } = 5V)，最大輸出電流 (I_{MAX } = 2.5A)，工作頻率 (f = 100kHz)。

• 計算 RSENSE：(R_{SENSE}=frac{100 mV}{2.5}=0.039 Omega)
• 計算 (C_{T})：(C_{T}=frac{(7.8)(10^{-5})}{100 kHz}(1 - frac{5 V}{24 V})=620 pF)
• 計算 (L_{MIN})：(L_{MIN }=(5.1)(10^{5})(0.039 Omega)(620 pF)(5 V)=62 mu H)

通過對不同尺寸的 P 溝道 MOSFET 進行計算，發(fā)現(xiàn)中等尺寸的 MOSFET 在 (I_{MAX}) 時總損耗最低。對于 N 溝道 MOSFET，選擇時主要考慮 (I^{2}R) 損耗。

七、其他應用技巧

1. 抑制 Burst 模式操作

在低輸出電流時，可通過簡單的外部網(wǎng)絡消除 25mV 的最小電流比較器閾值，從而抑制 Burst 模式操作。這對于消除某些電感在輕載時的可聽噪聲很有用。

2. 輸出短路保護

使用 N 溝道 MOSFET 作為同步開關時，可實現(xiàn)輸出短路保護。當輸出電壓超過設定值時，將定時電容引腳（Pin 6）拉高，可使 N 溝道 MOSFET 導通，熔斷系統(tǒng)保險絲。

3. PCB 布局

在 PCB 布局時，要注意信號地和功率地的隔離，SENSE - 和 SENSE + 引腳的布線，以及電容的連接等。遵循布局檢查表可確保電路正常工作。

八、總結(jié)

LTC1149 系列高效同步降壓開關穩(wěn)壓器具有多種優(yōu)良特性，適用于多種應用場景。在設計過程中，合理選擇外部元件、優(yōu)化電路布局以及分析效率損耗等方面都至關重要。通過深入了解其工作原理和應用技巧，電子工程師可以設計出高效、穩(wěn)定的電源電路。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。