LT8640/LT8640 - 1：高效同步降壓調(diào)節(jié)器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來(lái)深入探討一下 LT8640/LT8640 - 1 這款 42V、5A 同步降壓調(diào)節(jié)器，看看它有哪些獨(dú)特的特性和應(yīng)用場(chǎng)景。

文件下載：DC2202A.pdf

一、產(chǎn)品概述

LT8640/LT8640 - 1 是一款采用 Silent Switcher 架構(gòu)的單芯片、恒定頻率、電流模式降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。它的設(shè)計(jì)旨在在高達(dá) 3MHz 的頻率下實(shí)現(xiàn)高效率，同時(shí)將 EMI 輻射降至最低。其超低的 2.5μA 靜態(tài)電流，即使在輕負(fù)載情況下也能保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

二、關(guān)鍵特性剖析

（一）Silent Switcher 架構(gòu)與超低 EMI 排放

Silent Switcher 架構(gòu)是該芯片的一大亮點(diǎn)，它通過(guò)優(yōu)化電路布局和開(kāi)關(guān)技術(shù)，有效降低了 EMI 輻射。同時(shí)，芯片還支持?jǐn)U頻頻率調(diào)制，進(jìn)一步減少了電磁干擾，這對(duì)于對(duì) EMI 敏感的應(yīng)用場(chǎng)景尤為重要。

（二）高頻高效性能

在高頻下，LT8640/LT8640 - 1 展現(xiàn)出了出色的效率。例如，在 1MHz 時(shí)，從 12V 輸入到 5V 輸出，效率可達(dá) 96%；在 2MHz 時(shí)，效率也能達(dá)到 95%。這種高效性能有助于減少功耗，提高系統(tǒng)的整體效率。

（三）寬輸入電壓范圍與大輸出電流能力

芯片的輸入電壓范圍為 3.4V 至 42V，能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。最大連續(xù)輸出電流為 5A，峰值瞬態(tài)輸出電流可達(dá) 7A，可滿足大多數(shù)應(yīng)用的功率需求。

（四）超低靜態(tài)電流與多種工作模式

在輕負(fù)載情況下，芯片采用 Burst Mode 模式，此時(shí)靜態(tài)電流僅為 1.7μA，無(wú)負(fù)載調(diào)節(jié)時(shí)輸入電源消耗電流約為 2.5μA，大大降低了功耗。此外，芯片還支持脈沖跳過(guò)模式（LT8640）和強(qiáng)制連續(xù)模式（LT8640 - 1），用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

（五）快速最小開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與低壓降

最小開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間僅為 30ns，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的開(kāi)關(guān)響應(yīng)。在所有條件下，芯片的壓降都很低，例如在 1A 電流時(shí)壓降僅為 100mV。

三、引腳功能詳解

（一）BIAS 引腳

當(dāng) BIAS 引腳連接到高于 3.1V 的電壓時(shí)，內(nèi)部調(diào)節(jié)器將從 BIAS 引腳獲取電流，而不是從 VIN 引腳。對(duì)于 3.3V 至 25V 的輸出電壓，該引腳應(yīng)連接到 VOUT。如果連接到其他電源，需要在該引腳使用 1μF 的本地旁路電容；若沒(méi)有可用電源，則應(yīng)連接到 GND。

（二）INTVCC 引腳

這是內(nèi)部 3.4V 調(diào)節(jié)器的旁路引腳，為內(nèi)部功率驅(qū)動(dòng)器和控制電路供電。最大輸出電流為 20mA，不要用外部電路加載該引腳。當(dāng) BIAS > 3.1V 時(shí)，INTVCC 電流將由 BIAS 提供，否則將從 VIN 汲取電流。該引腳需要使用至少 1μF 的低 ESR 陶瓷電容進(jìn)行去耦。

（三）BST 引腳

用于為頂部功率開(kāi)關(guān)提供高于輸入電壓的驅(qū)動(dòng)電壓，需要在靠近芯片的位置放置一個(gè) 0.1μF 的升壓電容。

（四）VIN1 和 VIN2 引腳

芯片需要兩個(gè) 1μF 的小輸入旁路電容，分別連接在 VIN1 和 GND1、VIN2 和 GND2 之間。此外，還需要在靠近芯片的位置放置一個(gè) 2.2μF 或更大的電容，其正極端子連接到 VIN1 和 VIN2，負(fù)極端子連接到地。

（五）SW 引腳

是內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)的輸出引腳，需要將這些引腳連接在一起，并連接到電感器和升壓電容。為了獲得良好的性能和低 EMI，該節(jié)點(diǎn)在 PCB 上應(yīng)盡可能小。

（六）EN/UV 引腳

當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，芯片關(guān)閉；為高電平時(shí)，芯片激活。其滯回閾值電壓上升為 1.00V，下降為 0.96V。如果不需要關(guān)閉功能，可以將其連接到 VIN；也可以使用外部電阻分壓器從 VIN 編程一個(gè) VIN 閾值，當(dāng) VIN 低于該閾值時(shí)，芯片將關(guān)閉。

（七）RT 引腳

通過(guò)在 RT 引腳和地之間連接一個(gè)電阻來(lái)設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率。

（八）TR/SS 引腳

用于輸出跟蹤和軟啟動(dòng)。該引腳允許用戶在啟動(dòng)期間控制輸出電壓的上升速率。當(dāng) TR/SS 電壓低于 0.97V 時(shí)，芯片將調(diào)節(jié) FB 引腳電壓等于 TR/SS 引腳電壓；當(dāng) TR/SS 高于 0.97V 時(shí)，跟蹤功能禁用，內(nèi)部參考恢復(fù)對(duì)誤差放大器的控制。

（九）SYNC/MODE 引腳

對(duì)于 LT8640，該引腳可設(shè)置四種不同的工作模式：Burst Mode 模式、脈沖跳過(guò)模式、擴(kuò)頻模式和同步模式；對(duì)于 LT8640 - 1，同樣可設(shè)置這四種模式，但脈沖跳過(guò)模式替換為強(qiáng)制連續(xù)模式。

（十）PG 引腳

是內(nèi)部比較器的開(kāi)漏輸出。當(dāng) FB 引腳電壓在最終調(diào)節(jié)電壓的 ±8% 范圍內(nèi)且沒(méi)有故障條件時(shí)，PG 引腳保持低電平；當(dāng) VIN 高于 3.4V 時(shí)，PG 引腳有效，與 EN/UV 引腳狀態(tài)無(wú)關(guān)。

（十一）FB 引腳

芯片將 FB 引腳調(diào)節(jié)到 0.970V，需要將反饋電阻分壓器的抽頭連接到該引腳，并在 FB 和 VOUT 之間連接一個(gè) 4.7pF 至 22pF 的相位超前電容。

四、應(yīng)用信息與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）低 EMI PCB 布局

為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，芯片需要使用多個(gè) VIN 旁路電容。兩個(gè) 1μF 的小電容應(yīng)盡可能靠近芯片放置，一個(gè)連接到 VIN1/GND1，另一個(gè)連接到 VIN2/GND2。此外，還需要在靠近 VIN1 和 VIN2 的位置放置一個(gè) 2.2μF 或更大的電容。輸入電容、電感器和輸出電容應(yīng)放置在電路板的同一側(cè)，并且它們的連接應(yīng)在該層進(jìn)行。在靠近表面層的一層下放置一個(gè)局部、不間斷的接地平面，SW 和 BOOST 節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能小，同時(shí)保持 FB 和 RT 節(jié)點(diǎn)小，以防止它們受到 SW 和 BOOST 節(jié)點(diǎn)的干擾。

（二）實(shí)現(xiàn)超低靜態(tài)電流（Burst Mode 操作）

在輕負(fù)載情況下，芯片采用 Burst Mode 模式，通過(guò)向輸出電容提供單小電流脈沖，然后進(jìn)入睡眠模式，從而將輸入靜態(tài)電流降至最低。為了優(yōu)化輕負(fù)載時(shí)的靜態(tài)電流性能，需要最小化反饋電阻分壓器中的電流。選擇較大值的電感器（如 4.7μH）可以在 Burst Mode 操作中傳遞更多能量，使芯片在脈沖之間的睡眠模式中停留更長(zhǎng)時(shí)間，從而提高輕負(fù)載效率。

（三）強(qiáng)制連續(xù)模式（LT8640 - 1 專用）

LT8640 - 1 可以在強(qiáng)制連續(xù)模式（FCM）下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)和寬負(fù)載范圍內(nèi)的全頻率操作。在 FCM 模式下，振蕩器連續(xù)運(yùn)行，允許負(fù)電感電流。芯片可以從輸出吸收電流并將電荷返回輸入，從而改善負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)。但在輕負(fù)載下，F(xiàn)CM 模式的效率低于 Burst Mode 模式或脈沖跳過(guò)模式。

（四）脈沖跳過(guò)模式（LT8640 專用）

在某些應(yīng)用中，LT8640 可以采用脈沖跳過(guò)模式。與 Burst Mode 模式不同，時(shí)鐘始終保持運(yùn)行，所有開(kāi)關(guān)周期都與時(shí)鐘對(duì)齊。在該模式下，內(nèi)部電路大部分時(shí)間處于喚醒狀態(tài)，靜態(tài)電流增加到幾百 μA，但在較低輸出負(fù)載下即可達(dá)到全開(kāi)關(guān)頻率。

（五）擴(kuò)頻模式

芯片支持?jǐn)U頻操作，通過(guò)將 SYNC/MODE 引腳連接到 INTVCC（~3.4V）或 3V 至 4V 的外部電源來(lái)啟用。在該模式下，采用三角頻率調(diào)制來(lái)改變開(kāi)關(guān)頻率，調(diào)制頻率約為 3kHz。選擇擴(kuò)頻操作時(shí)，Burst Mode 模式將被禁用，芯片將在脈沖跳過(guò)模式（LT8640）或強(qiáng)制連續(xù)模式（LT8640 - 1）下運(yùn)行。

（六）同步功能

通過(guò)將一個(gè)占空比為 20% 至 80% 的方波連接到 SYNC/MODE 引腳，可以將芯片的振蕩器同步到外部頻率。方波的谷值應(yīng)低于 0.4V，峰值應(yīng)高于 1.5V（最高 6V）。同步時(shí)，芯片在低輸出負(fù)載下不會(huì)進(jìn)入 Burst Mode 模式，而是采用脈沖跳過(guò)（LT8640）或強(qiáng)制連續(xù)模式（LT8640 - 1）來(lái)維持調(diào)節(jié)。芯片可以在 200kHz 至 3MHz 的范圍內(nèi)進(jìn)行同步。

（七）FB 電阻網(wǎng)絡(luò)

輸出電壓通過(guò)輸出和 FB 引腳之間的電阻分壓器進(jìn)行編程。建議使用 1% 的電阻以保持輸出電壓的準(zhǔn)確性。如果需要低輸入靜態(tài)電流和良好的輕負(fù)載效率，應(yīng)使用較大值的 FB 電阻分壓器。同時(shí)，在使用大 FB 電阻時(shí)，需要在 VOUT 和 FB 之間連接一個(gè) 4.7pF 至 22pF 的相位超前電容。

（八）設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率

芯片采用恒定頻率 PWM 架構(gòu)，可以通過(guò)在 RT 引腳和地之間連接一個(gè)電阻來(lái)將開(kāi)關(guān)頻率編程為 200kHz 至 3MHz?？梢愿鶕?jù)所需的開(kāi)關(guān)頻率選擇合適的 RT 電阻值，也可以使用公式 (R{T}=frac{46.5}{f{SW}} - 5.2) 進(jìn)行計(jì)算。

（九）電感選擇與最大輸出電流

電感的選擇應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的輸出負(fù)載要求進(jìn)行。在過(guò)載或短路條件下，芯片能夠安全地承受飽和電感的運(yùn)行。一個(gè)好的電感值選擇公式為 (L = (frac{V{OUT } + V{SW(BOT)}}{f_{SW}}) cdot 0.7)。為了避免過(guò)熱和效率低下，電感的 RMS 電流額定值應(yīng)大于應(yīng)用的最大預(yù)期輸出負(fù)載，飽和電流額定值應(yīng)高于負(fù)載電流加上電感紋波電流的一半。

（十）輸入電容與輸出電容

為了獲得最佳性能，VIN 應(yīng)使用至少三個(gè)陶瓷電容進(jìn)行旁路。兩個(gè) 1μF 的小陶瓷電容應(yīng)靠近芯片放置，一個(gè)連接到 VIN1/GND1，另一個(gè)連接到 VIN2/GND2；一個(gè) 2.2μF 或更大的陶瓷電容應(yīng)靠近 VIN1 和 VIN2 放置。輸出電容的主要作用是過(guò)濾芯片產(chǎn)生的方波以產(chǎn)生直流輸出，并存儲(chǔ)能量以滿足瞬態(tài)負(fù)載和穩(wěn)定控制環(huán)路。建議使用 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)。

（十一）其他注意事項(xiàng)

在使用陶瓷電容時(shí)，由于其壓電特性，可能會(huì)在 Burst Mode 操作中產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲。如果無(wú)法接受這種噪聲，可以使用高性能鉭電容或電解電容。此外，芯片還具有使能引腳、輸出電壓跟蹤和軟啟動(dòng)、輸出功率良好指示、短路和反向輸入保護(hù)等功能，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理應(yīng)用。

五、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 5A 降壓轉(zhuǎn)換器、3.3V 5A 降壓轉(zhuǎn)換器、2MHz 5V 5A 降壓轉(zhuǎn)換器等。這些電路為工程師提供了實(shí)際的設(shè)計(jì)參考，方便他們根據(jù)具體需求進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

六、總結(jié)

LT8640/LT8640 - 1 是一款性能卓越的同步降壓調(diào)節(jié)器，具有低 EMI、高效率、寬輸入電壓范圍等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)合理的 PCB 布局、元件選擇和工作模式設(shè)置，可以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，滿足各種不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求，綜合考慮各個(gè)因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)效果。你在使用這款芯片的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。