LT3500：高性能降壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，選擇合適的電源管理芯片至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一下Linear Technology公司的LT3500，這是一款集降壓調(diào)節(jié)器和線性調(diào)節(jié)器/控制器于一體的單芯片解決方案，具有諸多出色的特性和廣泛的應(yīng)用場景。

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一、LT3500的特性亮點(diǎn)

1. 寬輸入電壓范圍

LT3500的輸入電壓范圍為3V至36V，最大可承受40V，這使得它能夠適應(yīng)多種電源來源，包括汽車電池、24V工業(yè)電源和未穩(wěn)壓的墻式適配器等。這種寬范圍的適應(yīng)性為不同應(yīng)用場景提供了極大的便利。

2. 強(qiáng)大的輸出能力

它具備2A的輸出電流能力，同時(shí)內(nèi)部還集成了一個(gè)可調(diào)節(jié)的線性調(diào)節(jié)器/驅(qū)動器，輸出能力可達(dá)13mA，能夠滿足多種負(fù)載需求。

3. 靈活的頻率操作

可調(diào)節(jié)/同步的固定頻率操作范圍從250kHz到2.2MHz，這讓工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用在效率和外部元件尺寸之間進(jìn)行優(yōu)化。

4. 完善的保護(hù)機(jī)制

它不僅在全輸入范圍內(nèi)具有短路保護(hù)功能，還具備逐周期電流限制、頻率折返和熱關(guān)斷等保護(hù)措施，有效保護(hù)芯片和系統(tǒng)免受故障影響。

5. 低功耗設(shè)計(jì)

低關(guān)斷電流僅為12μA，有助于在電池供電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)輕松的電源管理。

6. 緊湊的封裝形式

采用3mm × 3mm DFN或16引腳MSOP封裝，在提供良好散熱性能的同時(shí)，節(jié)省了電路板空間。

二、工作原理剖析

LT3500是一款恒頻、電流模式降壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成了一個(gè)2.3A的開關(guān)。其工作過程主要由內(nèi)部時(shí)鐘和兩個(gè)反饋環(huán)路控制功率開關(guān)的占空比。與傳統(tǒng)的電壓反饋系統(tǒng)相比，電流反饋系統(tǒng)在低頻時(shí)具有90°的相移，且在遠(yuǎn)超過LC諧振頻率時(shí)才會有額外的90°相移，這使得反饋環(huán)路的頻率補(bǔ)償更加容易，同時(shí)也能提供更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

在啟動過程中，上電復(fù)位（POR）信號會設(shè)置軟啟動鎖存器，確保芯片正常啟動。當(dāng)SS引腳電壓下降到100mV以下時(shí)，VC引腳被拉低，開關(guān)功能禁用，軟啟動鎖存器復(fù)位。之后，軟啟動電容開始以2.75μA的典型值充電，當(dāng)SS引腳電壓上升超過100mV時(shí)，VC引腳被誤差放大器拉高，內(nèi)部功率NPN開關(guān)開啟，開始正常工作。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 輸出電壓選擇

通過在輸出和FB引腳之間連接電阻分壓器來編程輸出電壓。選擇1%精度的電阻，且R2應(yīng)小于等于10.0kΩ，以避免偏置電流誤差。計(jì)算公式為： [R 1=R 2left(frac{V_{OUT 1}}{0.8 V}-1right)]

2. 開關(guān)頻率設(shè)定

開關(guān)頻率由連接在RT/SYNC引腳和地之間的電阻R5決定。通常，為了減小整體解決方案的尺寸，會盡可能將開關(guān)頻率設(shè)置得高一些。但需要注意的是，高頻會導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，效率和最大輸入電壓會相應(yīng)降低。最大推薦頻率可以通過以下公式近似計(jì)算： [Frequency (Hz)=frac{V{OUT 1}+V{D}}{V{IN }-V{SW}+V{D}} cdot frac{1}{t{ON(MIN)}}] 其中，(V{D})是續(xù)流二極管的正向壓降，(V{SW})是內(nèi)部開關(guān)的壓降，(t_{ON(MIN)})是開關(guān)的最小導(dǎo)通時(shí)間。

3. 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，計(jì)算公式為： [V{I N(M I N)}=frac{V{OUT 1}+V{D}}{D C{MAX }}-V{D}+V{S W}] 其中，(DC{MAX}=1 - t{OFF(MIN)} cdot Frequency)。

最大輸入電壓由(V{IN})和BST引腳的絕對最大額定值、頻率和最小占空比決定，計(jì)算公式為： [V{I N(M A X)}=frac{V{OUT 1}+V{D}}{D C{M I N}}-V{D}+V{S W}] 其中，(DC{MIN}=t_{ON(MIN)} cdot Frequency)。

4. 電感選擇

對于電感值的選擇，一個(gè)不錯(cuò)的初始值可以通過以下公式計(jì)算： [L=frac{left(V{IN}-V{OUT 1}right) cdot V{OUT 1}}{V{IN } cdot f}] 其中，f是頻率（單位：MHz），L是電感值（單位：μH）。選擇電感時(shí)，其RMS電流額定值必須大于最大負(fù)載電流，飽和電流應(yīng)比最大負(fù)載電流高約30%，且串聯(lián)電阻（DCR）應(yīng)小于0.05Ω，以保證高效率。

5. 電容選擇

• 輸入電容：使用4.7μF或更高的X7R或X5R類型陶瓷電容對LT3500電路的輸入進(jìn)行旁路。輸入電容的作用是減少電壓紋波，降低EMI，因此需要具有低阻抗和足夠的紋波電流額定值。
• 輸出電容：通常，降壓調(diào)節(jié)器的輸出交叉頻率設(shè)置為開關(guān)頻率的1/10，根據(jù)允許的輸出電壓下降5%，可以計(jì)算出輸出電容的初始值： [C{VOUT 1}=frac{ Max Load Step }{ Frequency cdot 0.05 cdot V{OUT 1}}] 輸出電容的選擇還需要考慮其能量存儲能力和對輸出電壓紋波的影響，陶瓷電容因其低ESR、小尺寸和高魯棒性成為首選。

6. 續(xù)流二極管選擇

使用肖特基二極管作為續(xù)流二極管，以限制正向壓降，提高效率。二極管的峰值反向電壓應(yīng)等于調(diào)節(jié)器輸入電壓，平均正向電流可以通過以下公式計(jì)算： [D(A V G)=frac{I{OUT 1}}{V{IN }} cdotleft(V{IN }-V{OUT 1}right)]

7. BST引腳設(shè)計(jì)

與BST引腳相連的電容和二極管用于產(chǎn)生高于輸入電壓的電壓。通常，0.47μF的電容和快速開關(guān)二極管（如CMDSH - 3或FMMD914）效果較好。電容的ESR應(yīng)小于12Ω，以確保在開關(guān)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)能夠完全充電。

8. 頻率補(bǔ)償

LT3500采用電流模式控制，簡化了環(huán)路補(bǔ)償。頻率補(bǔ)償由連接到(V_{C})引腳的元件完成，一般是一個(gè)串聯(lián)到地的電容和電阻決定環(huán)路增益，同時(shí)還有一個(gè)并聯(lián)的較小電容用于過濾開關(guān)頻率的噪聲。

9. 同步功能

RT/SYNC引腳可用于將LT3500與外部時(shí)鐘源同步。同步時(shí)鐘信號的頻率應(yīng)在250kHz到2.5MHz之間，占空比在20%到80%之間，低電平低于0.5V，高電平高于1.6V。

10. 關(guān)斷和欠壓鎖定

內(nèi)部比較器會在輸入電壓低于2.8V時(shí)將芯片強(qiáng)制進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，可用于防止電池供電系統(tǒng)過度放電。如果需要可調(diào)的欠壓鎖定閾值，可以使用SHDN引腳，通過外部電阻設(shè)置閾值電壓和滯回電壓。

11. 軟啟動功能

通過在SS引腳和地之間連接一個(gè)電容，由內(nèi)部2.75μA電流源充電，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的線性斜坡上升，避免啟動時(shí)的輸入電流浪涌。

12. 電源良好指示

PG和PG引腳是內(nèi)部比較器的集電極輸出，用于指示輸出電壓是否在正常調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。可以根據(jù)需要連接上拉電阻，實(shí)現(xiàn)不同的功能。

13. 線性調(diào)節(jié)器和控制器

LT3500內(nèi)部的線性調(diào)節(jié)器可以通過LFB和LDRV引腳進(jìn)行配置，輸出電壓可以通過電阻分壓器編程。如果需要增加輸出能力，可以添加外部跟隨器（NPN或NMOS），將其配置為線性調(diào)節(jié)器控制器。

四、PCB布局與散熱設(shè)計(jì)

1. PCB布局

在PCB布局時(shí)，要特別注意高di/dt路徑，確保功率開關(guān)、續(xù)流二極管和輸入電容形成的環(huán)路盡可能小。這些元件以及電感和輸出電容應(yīng)放置在電路板的同一側(cè)，并在該層進(jìn)行連接。在這些元件下方設(shè)置一個(gè)局部、連續(xù)的接地平面，并在一個(gè)位置將其連接到系統(tǒng)接地，理想情況下是在輸出電容的接地端。同時(shí)，SW和BST走線應(yīng)盡可能短，以減少干擾。

2. 散熱設(shè)計(jì)

為了確保LT3500的正常工作溫度，需要在PCB上提供良好的散熱措施。將封裝底部的裸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，以擴(kuò)散芯片產(chǎn)生的熱量。在續(xù)流二極管附近添加額外的過孔，增加頂層和底層的銅面積，并通過過孔將其連接到內(nèi)部平面，可進(jìn)一步降低熱阻。

五、典型應(yīng)用案例

1. 高效線性調(diào)節(jié)器應(yīng)用

在某些對線性度要求較高的應(yīng)用中，LT3500可以實(shí)現(xiàn)高效的線性調(diào)節(jié)，通過合理配置外部元件，能夠滿足特定負(fù)載的需求。

2. 多輸出降壓應(yīng)用

可以實(shí)現(xiàn)5V/1.5A、3.3V/0.5A等多輸出降壓功能，同時(shí)可以通過輸出斷開功能提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

3. 帶電源良好指示的降壓應(yīng)用

在需要指示輸出狀態(tài)的應(yīng)用中，可以通過連接LED等元件，利用PG引腳實(shí)現(xiàn)電源良好指示功能。

六、相關(guān)產(chǎn)品對比

市場上有許多類似的降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，如LT1766、LT1933等。與它們相比，LT3500在輸入電壓范圍、輸出能力、頻率靈活性等方面具有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢。工程師在選擇時(shí)，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行綜合考慮。

總之，LT3500是一款功能強(qiáng)大、性能出色的電源管理芯片，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)方面提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求，合理選擇和配置外部元件，優(yōu)化PCB布局和散熱設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。你在使用LT3500的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。