LT1939：一款高性能的電源解決方案

引言

在電子工程師的日常工作中，尋找合適的電源管理芯片是一項至關重要的任務。今天我們要探討的是 Linear Technology 公司的 LT1939，這是一款集多種功能于一身的電源管理芯片，適合多種應用場景。

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一、產(chǎn)品概述

LT1939 是一款單芯片 2A 降壓穩(wěn)壓器加上線性穩(wěn)壓器/控制器。它具有以下顯著特點：

1. 寬輸入范圍：輸入電壓范圍為 3V 至 25V，能夠適應包括汽車電池、工業(yè)電源和未穩(wěn)壓的墻式適配器等多種電源。
2. 短路保護：在整個輸入范圍內(nèi)都具備短路保護功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
3. 高輸出電流能力：能夠提供高達 2A 的輸出電流，滿足大多數(shù)負載的需求。
4. 頻率可調(diào)與同步：支持 250kHz 至 2.2MHz 的可調(diào)/同步固定頻率操作，方便工程師根據(jù)不同的應用需求進行優(yōu)化。
5. 軟啟動與跟蹤功能：軟啟動功能可以控制輸出電壓的上升速率，避免啟動時的輸入電流浪涌，同時還具備輸出跟蹤功能。
6. 輸出電壓可調(diào)：輸出電壓可以調(diào)低至 0.8V，滿足不同的電壓需求。
7. 線性穩(wěn)壓器/驅動器：內(nèi)置可調(diào)線性穩(wěn)壓器/驅動器，輸出能力達 13mA。
8. 電源良好比較器：帶有互補輸出的電源良好比較器，方便監(jiān)控輸出狀態(tài)。
9. 低關斷電流：關斷電流僅為 12μA，有助于降低系統(tǒng)功耗。
10. 封裝優(yōu)勢：采用熱增強型 3mm × 3mm DFN 封裝，節(jié)省空間且散熱性能良好。

二、技術細節(jié)分析

（一）工作模式與控制

LT1939 是一款恒頻、電流模式的降壓轉換器，采用內(nèi)部 2.3A 開關，同時還集成了一個輸出能力為 13mA 的線性穩(wěn)壓器。通過一個共同的 SHDN 引腳、內(nèi)部穩(wěn)壓器、振蕩器、欠壓檢測、軟啟動、熱關斷和上電復位來控制兩個輸出。 當 SHDN 引腳電壓低于 0.8V 時，芯片進入低靜態(tài)電流模式，此時典型電流僅為 12μA。當 SHDN 引腳浮空或驅動電壓高于 0.76V 時，內(nèi)部偏置電路開啟，生成內(nèi)部穩(wěn)壓電壓、0.8V（VFB）和 1V（RT/SYNC）參考電壓以及上電復位信號，設置軟啟動鎖存器。 振蕩器的頻率由 RT/SYNC 引腳到地的電阻值決定，也可以通過外部時鐘信號進行同步。電流模式控制通過內(nèi)部時鐘和兩個反饋回路來控制功率開關的占空比，相比電壓反饋系統(tǒng)，具有更好的頻率補償和更快的瞬態(tài)響應。

（二）軟啟動與保護機制

在啟動時，上電復位信號設置軟啟動鎖存器，將 SS 引腳放電至接近 0V，確保正確的啟動操作。當 SS 引腳電壓低于 100mV 時，VC 引腳被拉低，禁止開關操作；當 SS 引腳電壓高于 100mV 時，VC 引腳被釋放，輸出開始調(diào)節(jié)。 如果輸出電流超過 VC 引腳設定的最大電流，SS 引腳將放電，降低調(diào)節(jié)點，直到輸出電壓能夠由最大電流支持。當過載情況消除后，輸出將從過載調(diào)節(jié)點軟啟動恢復。此外，輸入欠壓檢測或熱關斷會觸發(fā)軟啟動鎖存器，啟動完整的軟啟動序列。

（三）電源良好指示

PG 和 PG 引腳是內(nèi)部比較器的集電極輸出，用于監(jiān)控 FB 和 LFB 引腳電壓。當 FB 和 LFB 引腳電壓低于或高于參考電壓的 90%時，PG 和 PG 引腳會相應地吸收電流，可用于作為錯誤標志或驅動輸出斷開設備。

三、應用設計要點

（一）輸出電壓選擇

輸出電壓通過輸出和 FB 引腳之間的電阻分壓器進行編程。公式為 (R1 = R2(frac{V_{OUT1}}{0.8V}-1))，其中 R2 應選擇 10.0k 或更小的值，以避免偏置電流誤差。

（二）開關頻率選擇

開關頻率由 RT/SYNC 引腳的電阻 R5 決定，RT/SYNC 引腳內(nèi)部穩(wěn)壓為 1V。為了減小整體解決方案的尺寸，通常應盡可能選擇較高的開關頻率，但要考慮到高頻下的開關損耗和最小開關導通時間會導致效率和最大輸入電壓降低。最大推薦頻率可以通過公式 (Frequency (Hz)=frac{V{OUT1}+V{D}}{V{IN}-V{SW}+V{D}} cdot frac{1}{t{ON(MIN)}}) 近似計算。

（三）輸入電壓范圍確定

最小輸入電壓由芯片的最小工作電壓（約 2.8V）或最大占空比決定，最大輸入電壓由 VIN 和 BST 引腳的絕對最大額定值、頻率和最小占空比決定。具體計算公式為 (V{IN(MIN)}=frac{V{OUT1}+V{D}}{DC{MAX}}-V{D}+V{SW}) 和 (V{IN(MAX)}=frac{V{OUT1}+V{D}}{DC{MIN}}-V{D}+V{SW})，其中 (DC{MAX}=1 - t{OFF(MIN)} cdot Frequency)，(DC{MIN}=t{ON(MIN)} cdot Frequency)。

（四）電感選擇

電感的初始選擇可以使用公式 (L=frac{(V{IN}-V{OUT1}) cdot V{OUT1}}{V{IN } cdot f})，其中 f 為頻率（MHz），L 為電感值（μH）。選擇電感時，要考慮電感的 RMS 電流額定值、飽和電流和串聯(lián)電阻（DCR），以確保能夠提供足夠的輸出電流和較高的效率。同時，要注意避免電感值過低導致不連續(xù)模式操作，影響最大負載電流。

（五）電容選擇

1. 輸入電容：使用 4.7μF 或更高的 X7R 或 X5R 類型陶瓷電容對輸入進行旁路，以降低電壓紋波和 EMI。也可以結合使用低價值陶瓷電容和大容量電解電容或鉭電容。輸入電容的選擇要考慮其在開關頻率下的低阻抗和足夠的紋波電流額定值。
2. 輸出電容：輸出電容的初始值可以通過公式 (C{VOUT1}=frac{Max Load Step}{Frequency cdot 0.05 cdot V{OUT1}}) 計算。陶瓷電容由于其低 ESR、小尺寸和高魯棒性，是 LT1939 應用的首選。但要注意避免使用 Y5V 和 Z5U 類型電容，因為它們在溫度和電壓變化時電容值變化較大。

（六）其他元件選擇

1. 續(xù)流二極管：使用肖特基二極管作為續(xù)流二極管，以降低正向電壓降，提高效率。二極管的峰值反向電壓應等于穩(wěn)壓器輸入電壓，平均正向電流應根據(jù)正常工作時的負載電流進行選擇。
2. BST 引腳電容和二極管：BST 引腳的電容和二極管用于生成高于輸入電壓的驅動電壓。通常選擇 0.47μF 電容和快速開關二極管，電容的 ESR 應小于 12Ω，以確保在開關關斷時間內(nèi)能夠完全充電。

四、PCB 布局與散熱考慮

（一）PCB 布局

為了確保 LT1939 的正常運行和最小化 EMI，PCB 布局非常關鍵。要注意將功率開關、續(xù)流二極管和輸入電容形成的大電流開關回路面積盡量減小，這些元件應放置在電路板的同一側，并在其下方設置局部、連續(xù)的接地平面，通過一個點連接到系統(tǒng)接地，理想情況下是連接到輸出電容 C2 的接地端。同時，SW 和 BST 走線應盡量短。

（二）散熱考慮

為了保證 LT1939 的散熱性能，需要將封裝底部的外露金屬焊接到接地平面，并通過熱過孔將其連接到其他銅層，以分散芯片產(chǎn)生的熱量。在靠近續(xù)流二極管的地方添加額外的過孔，增加頂部和底部層的銅面積，并通過過孔將其連接到內(nèi)部平面，可以進一步降低熱阻。

五、典型應用案例

LT1939 適用于多種應用場景，如汽車電池調(diào)節(jié)、工業(yè)控制、墻式變壓器調(diào)節(jié)和分布式電源調(diào)節(jié)等。文檔中還給出了多個典型應用電路，如高效線性穩(wěn)壓器、5V/1.5A 和 3.3V/0.5A 降壓輸出斷開電路、5V/2A 降壓帶電源良好 LED 電路等，這些電路為工程師提供了實際的設計參考。

六、總結

LT1939 作為一款高性能的電源管理芯片，具有多種實用功能和良好的性能指標。在設計過程中，工程師需要綜合考慮輸出電壓、開關頻率、電感和電容選擇、PCB 布局和散熱等多個方面，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在實際應用中是否也遇到過類似的電源設計問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。