LT1913：高效降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計與應(yīng)用

在電子設(shè)計領(lǐng)域，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種常見且關(guān)鍵的元件，它能將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的穩(wěn)定輸出電壓，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。今天，我們就來深入探討 Linear Technology 公司的 LT1913 降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，了解它的特性、工作原理以及在實際應(yīng)用中的設(shè)計要點。

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一、LT1913 特性概覽

LT1913 是一款可調(diào)頻率的單片降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，具有以下顯著特性：

1. 寬輸入范圍：支持 3.6V 至 25V 的輸入電壓，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
2. 大輸出電流：最大輸出電流可達 3.5A，可滿足大多數(shù)負載的功率需求。
3. 可調(diào)開關(guān)頻率：開關(guān)頻率可在 200kHz 至 2.4MHz 之間調(diào)整，為設(shè)計提供了靈活性。
4. 低關(guān)斷電流：關(guān)斷電流 (I_{0}<1 mu A)，有助于降低功耗。
5. 集成升壓二極管：內(nèi)部集成了升壓肖特基二極管，簡化了外部電路設(shè)計。
6. 可同步性：能在 250kHz 至 2MHz 范圍內(nèi)進行同步，方便與其他電路協(xié)同工作。
7. 電源良好標志：通過 PG 引腳可指示輸出電壓是否達到編程值的 91%。
8. 飽和開關(guān)設(shè)計：導通電阻僅 95mΩ，提高了效率。
9. 反饋參考電壓：反饋參考電壓為 0.790V，便于精確控制輸出電壓。
10. 輸出電壓范圍：輸出電壓可在 0.79V 至 25V 之間調(diào)節(jié)。
11. 熱保護和軟啟動功能：具備熱保護功能，防止芯片過熱；軟啟動功能可減少啟動時的電流沖擊。
12. 小封裝：采用 10 引腳（3mm × 3mm）DFN 封裝，節(jié)省電路板空間。

二、工作原理剖析

LT1913 采用恒定頻率、電流模式的降壓調(diào)節(jié)方式。其工作過程如下：

1. 振蕩器控制：由 RT 引腳連接的電阻設(shè)定振蕩器頻率，振蕩器使 RS 觸發(fā)器置位，開啟內(nèi)部功率開關(guān)。
2. 電流監(jiān)測：放大器和比較器監(jiān)測 (VIN) 和 SW 引腳之間的電流，當電流達到 (V_{C}) 引腳電壓所確定的水平時，關(guān)閉開關(guān)。
3. 誤差放大：誤差放大器通過外部電阻分壓器測量輸出電壓，并調(diào)節(jié) (V_{C}) 引腳電壓，從而控制輸出電流。
4. 電流限制：(V_{C}) 引腳的有源鉗位提供電流限制功能。
5. 軟啟動：通過在 RUN/SS 引腳使用外部電阻和電容生成電壓斜坡，實現(xiàn)軟啟動。
6. 內(nèi)部調(diào)節(jié)器：內(nèi)部調(diào)節(jié)器為控制電路供電，可從 (VIN) 引腳或 BD 引腳獲取偏置電源，提高效率。
7. 開關(guān)驅(qū)動：開關(guān)驅(qū)動器可從輸入或 BOOST 引腳獲取電源，通過外部電容和二極管產(chǎn)生高于輸入電壓的 BOOST 電壓，使內(nèi)部雙極 NPN 功率開關(guān)充分飽和。
8. 頻率折返：當 FB 引腳電壓較低時，振蕩器降低工作頻率，有助于在啟動和過載時控制輸出電流。
9. 電源良好比較器：當 FB 引腳電壓達到其調(diào)節(jié)值的 91% 時，電源良好比較器觸發(fā)，PG 輸出為開路集電極晶體管，輸出正常時為高電平。

三、應(yīng)用設(shè)計要點

1. FB 電阻網(wǎng)絡(luò)

輸出電壓通過輸出與 FB 引腳之間的電阻分壓器進行編程，計算公式為 (R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{0.79 V}-1right))，應(yīng)選擇 1% 精度的電阻。

2. 開關(guān)頻率設(shè)置

LT1913 可通過將電阻從 RT 引腳連接到地來設(shè)置開關(guān)頻率，頻率范圍為 200kHz 至 2.4MHz。選擇合適的開關(guān)頻率需要權(quán)衡效率、元件尺寸、最小壓降和最大輸入電壓等因素。

• 高頻優(yōu)勢：可使用較小的電感和電容值。
• 高頻劣勢：效率降低、最大輸入電壓降低、壓降增加。
• 最大開關(guān)頻率計算：(f{S W(M A X)}=frac{V{D}+V{OUT }}{t{ON(MIN) }left(V{D}+V{IN }-V{S W}right)})，其中 (V{D}) 為續(xù)流二極管壓降（約 0.5V），(V_{SW}) 為內(nèi)部開關(guān)壓降（最大負載時約 0.5V）。
• 最小和最大占空比計算：(DC{MIN}=f{SW} t{ON(MIN)})，(DC{MAX }=1-f{SW } t{OFF(MIN) })，開關(guān)頻率降低時，占空比范圍增大。

3. 輸入電壓范圍

• 最大輸入電壓：取決于開關(guān)頻率和 (V{IN})、BOOST 引腳的絕對最大額定值。在輸出啟動、短路或過載時，最大輸入電壓計算公式為 (V{I N(M A X)}=frac{V{OUT }+V{D}}{f{S W} t{O N(M I N)}}-V{D}+V{S W})，較高的開關(guān)頻率會降低最大輸入電壓。
• 最小輸入電壓：由 LT1913 的最小工作電壓（約 3.6V）或最大占空比決定，計算公式為 (V{I N(M I N)}=frac{V{OUT }+V{D}}{1-f{S W} t{O F F(M I N)}}-V{D}+V_{S W})，較高的開關(guān)頻率會增加最小輸入電壓。

4. 電感選擇

電感值和開關(guān)頻率決定了紋波電流，合理的紋波電流起始值為 (Delta I{L}=0.4left(I{OUT(MAX) }right))，峰值電感電流 (I{L(P E A K)}=I{OUT(M A X)}+Delta I{L} / 2)，應(yīng)確保峰值電感電流低于 LT1913 的開關(guān)電流限制。電感值計算公式為 (L=left(frac{V{OUT }+V{D}}{f{SW} Delta l{L}}right)left(1-frac{V{OUT }+V{D}}{V{IN(MAX)}}right))，電感的 RMS 電流額定值應(yīng)大于最大負載電流，飽和電流應(yīng)高約 30%，串聯(lián)電阻（DCR）應(yīng)小于 0.05Ω。

5. 輸入電容

使用 X7R 或 X5R 類型的陶瓷電容對 LT1913 電路的輸入進行旁路，10μF 至 22μF 的陶瓷電容通常足夠。當開關(guān)頻率較低時，需要更大的輸入電容。若輸入電源阻抗高或存在長導線電感，可能需要額外的大容量電容。同時，要注意避免陶瓷輸入電容與走線或電纜電感形成的諧振導致輸入電壓過沖。

6. 輸出電容和輸出紋波

輸出電容的主要作用是濾波和存儲能量，推薦的輸出電容值計算公式為 (C{OUT }=frac{100}{V{OUT } t_{SW }})，應(yīng)使用 X5R 或 X7R 類型的陶瓷電容，以獲得低輸出紋波和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。也可使用高性能鉭或電解電容，但需注意低 ESR 要求。

7. 續(xù)流二極管

續(xù)流二極管在開關(guān)關(guān)斷期間導通，正常工作時的平均正向電流計算公式為 (ID(AVG)=I{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right) / N{IN })，應(yīng)使用反向電壓額定值大于輸入電壓的肖特基二極管。

8. 頻率補償

LT1913 使用電流模式控制，簡化了環(huán)路補償。通常在 (V{C}) 引腳連接電容 (C{C}) 和電阻 (R{C}) 進行補償，還可并聯(lián)一個小電容 (C{F}) 用于濾波。設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)具體應(yīng)用和輸出電容類型進行調(diào)整，可參考類似電路并進行優(yōu)化。

9. BOOST 和 BIAS 引腳考慮

使用電容 C3 和內(nèi)部升壓肖特基二極管生成高于輸入電壓的 BOOST 電壓，一般 0.47μF 電容效果較好。不同輸出電壓需要不同的 BOOST 電路配置，要確保 BOOST 引腳電壓比 SW 引腳高 2.3V 以上以獲得最佳效率。

10. 軟啟動

通過在 RUN/SS 引腳連接外部 RC 濾波器，可實現(xiàn) LT1913 的軟啟動，減少啟動時的最大輸入電流。選擇合適的 RC 時間常數(shù)，可將啟動峰值電流降低到調(diào)節(jié)輸出所需的電流，避免過沖。

11. 同步

將方波（占空比 20% 至 80%）連接到 SYNC 引腳，可將 LT1913 振蕩器同步到外部頻率，同步范圍為 250kHz 至 2MHz。(R_{T}) 電阻應(yīng)設(shè)置為使 LT1913 開關(guān)頻率比最低同步輸入低 20%。

12. 短路和反接保護

選擇合適的電感可使 LT1913 承受輸出短路。在某些情況下，可使用二極管防止輸入短路或反接對電路造成損壞。

13. PCB 布局

為保證正常工作和降低 EMI，PCB 布局需注意：

• 使 LT1913 的 (VIN) 和 SW 引腳、續(xù)流二極管和輸入電容形成的環(huán)路盡可能小。
• 將電感和輸出電容與上述元件放置在電路板同一側(cè)，并在該層進行連接。
• 在這些元件下方設(shè)置局部連續(xù)接地平面。
• 減小 SW 和 BOOST 節(jié)點的面積。
• 減小 FB 和 (V_{C}) 節(jié)點的面積，利用接地走線屏蔽它們免受 SW 和 BOOST 節(jié)點的干擾。
• 將封裝底部的暴露焊盤焊接到接地平面，作為散熱片，并通過熱過孔連接到其他接地層，降低熱阻。

14. 熱插拔安全

使用陶瓷輸入電容時，熱插拔可能導致輸入電壓過沖，可在輸入串聯(lián)電阻和電容來消除過沖，同時提高高頻濾波效果。

15. 高溫考慮

PCB 需提供散熱措施，確保 LT1913 保持涼爽。通過將暴露焊盤焊接到接地平面，并使用熱過孔連接到其他銅層，可降低熱阻。在高溫環(huán)境下，需根據(jù)環(huán)境溫度對最大負載電流進行降額處理。

四、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多種典型應(yīng)用電路，包括 5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V 等不同輸出電壓的降壓轉(zhuǎn)換器，以及 2MHz 高頻率的 5V 降壓轉(zhuǎn)換器和 12V 降壓轉(zhuǎn)換器。這些電路為實際設(shè)計提供了參考，可根據(jù)具體需求進行調(diào)整。

五、相關(guān)產(chǎn)品推薦

文檔還列出了 Linear Technology 公司的其他相關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，如 LT1766、LT1933、LT1936 等，這些產(chǎn)品在輸入電壓范圍、輸出電流、開關(guān)頻率等方面各有特點，可根據(jù)不同的應(yīng)用場景進行選擇。

總之，LT1913 是一款性能出色的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，在設(shè)計應(yīng)用時，需要綜合考慮各方面因素，根據(jù)具體需求進行合理的元件選擇和電路設(shè)計，以實現(xiàn)最佳的性能和穩(wěn)定性。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似穩(wěn)壓器的設(shè)計難題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和問題。