深入剖析LM2621：低輸入電壓升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)備不斷追求小型化、低功耗的今天，電源管理芯片的性能和特性顯得尤為重要。LM2621作為一款專為電池供電和低輸入電壓系統(tǒng)設(shè)計的高效升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，憑借其獨特的性能優(yōu)勢，在眾多應(yīng)用場景中嶄露頭角。本文將深入剖析LM2621的各項特性、應(yīng)用場景以及設(shè)計要點，為電子工程師們提供全面的參考。

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一、LM2621的核心特性

1. 封裝優(yōu)勢

LM2621采用小巧的VSSOP8封裝，僅為標準8引腳SOIC封裝面積的一半，高度僅1.09mm。這種緊湊的封裝設(shè)計使得它在對空間要求極高的應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢，如便攜式設(shè)備、可穿戴設(shè)備等。

2. 寬輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為1.2V至14V，輸出電壓可在1.24V至14V之間靈活調(diào)節(jié)。這使得它能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境和負載需求，無論是單節(jié)電池供電還是多節(jié)電池組合，都能穩(wěn)定工作。

3. 高效性能

內(nèi)部集成0.17Ω的N溝道MOSFET功率開關(guān)，最高效率可達90%。在不同的負載條件下，都能保持較高的轉(zhuǎn)換效率，有效延長電池續(xù)航時間。同時，其高達2MHz的開關(guān)頻率，允許使用小型的表面貼裝電感和電容，進一步減小了電路體積。

4. 低功耗特性

采用BiCMOS工藝技術(shù)，典型工作電流僅80μA，在關(guān)機模式下，電源電流小于2.5μA。這種低功耗特性使得LM2621在電池供電的設(shè)備中表現(xiàn)出色，能夠有效降低系統(tǒng)功耗，延長電池使用壽命。

二、應(yīng)用場景廣泛

1. 便攜式設(shè)備

在PDAs、手機、雙向?qū)ず魴C、掌上電腦等便攜式設(shè)備中，LM2621的小尺寸、高效率和低功耗特性使其成為理想的電源轉(zhuǎn)換解決方案。它能夠為設(shè)備提供穩(wěn)定的電源，同時延長電池續(xù)航時間，滿足用戶對設(shè)備便攜性和長續(xù)航的需求。

2. 存儲卡與閃存編程

PCMCIA卡、存儲卡以及閃存編程等應(yīng)用需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)。LM2621的寬輸入輸出電壓范圍和高效性能，能夠為這些設(shè)備提供可靠的電源支持，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定讀寫和存儲。

3. TFT/LCD顯示

在TFT/LCD應(yīng)用中，LM2621可以將低電壓轉(zhuǎn)換為適合顯示屏工作的電壓，為顯示屏提供穩(wěn)定的電源，保證顯示效果的清晰和穩(wěn)定。

4. GPS設(shè)備

GPS設(shè)備需要在不同的電源環(huán)境下穩(wěn)定工作，LM2621的寬輸入電壓范圍和高效性能能夠滿足GPS設(shè)備的電源需求，確保設(shè)備在各種環(huán)境下都能正常工作。

三、引腳配置與功能

四、關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

1. 絕對最大額定值

• SW引腳電壓：-0.5V至14.5V
• BOOT、VDD、EN和FB引腳：-0.5V至10V
• FREQ引腳電流：最大100μA
• 功率耗散（TA = 25°C）：最大500mW
• 最大結(jié)溫：150°C
• 引腳焊接溫度（5秒）：260°C
• 存儲溫度：-65°C至150°C

2. 推薦工作條件

• VDD：2.5V至5V
• FB：0V至VDD
• EN：0V至VDD
• BOOT：0V至10V
• 環(huán)境溫度：-40°C至85°C

3. 電氣特性

• 最小啟動電源電壓：1.1V（空載），1.2V（-40°C至85°C，空載）
• 最小工作電源電壓（啟動后）：0.65V（空載）
• FB引腳電壓：1.24V（25°C），1.2028V至1.2772V（-40°C至85°C）
• 最大輸出電壓：14V
• 遲滯電壓：30mV（25°C），45mV（-40°C至85°C）
• 效率：在不同輸入輸出電壓和負載電流條件下，最高可達87%
• 開關(guān)占空比：70%（25°C），60%至80%（-40°C至85°C）
• 工作靜態(tài)電流：80μA（FB引腳 > 1.3V，EN引腳接VDD），最大110μA（-40°C至85°C）
• 關(guān)機靜態(tài)電流：0.01μA（VDD、BOOT和SW引腳為5.0V，EN引腳 < 200mV），最大2.5μA（-40°C至85°C）
• 開關(guān)峰值電流限制：2.85A

五、詳細工作原理

1. 門控振蕩器控制方案

LM2621采用獨特的門控振蕩器控制方案，能夠?qū)崿F(xiàn)超低靜態(tài)電流，并在寬負載范圍內(nèi)保持高效率。內(nèi)部振蕩器的開關(guān)頻率可通過外部電阻編程，范圍為300kHz至2MHz。該控制方案通過一個遲滯窗口來調(diào)節(jié)輸出電壓，當輸出電壓低于窗口上限時，LM2621以固定的70%占空比連續(xù)開關(guān)；當輸出電壓達到窗口上限時，停止開關(guān)；當輸出電壓降至窗口下限時，再次開始連續(xù)開關(guān)。這種控制方式使得靜態(tài)電流極低，在輕負載時比傳統(tǒng)PWM控制方案具有更高的效率。

2. 低電壓啟動

LM2621能夠在低至1.1V的輸入電壓下啟動。啟動時，控制電路以70%的占空比連續(xù)開關(guān)N溝道MOSFET，直到輸出電壓達到2.5V。之后，正常的升壓調(diào)節(jié)器反饋和門控振蕩器控制方案開始工作。一旦設(shè)備進入穩(wěn)定狀態(tài)，它可以在低至0.65V的輸入電壓下繼續(xù)工作，因為IC的內(nèi)部電源可以通過VDD引腳從輸出端自舉獲得。

3. 輸出電壓紋波頻率

輸出電壓紋波的主要成分是由門控振蕩器控制方案中的遲滯引起的。紋波頻率與負載電流成正比，但由于振蕩器的開關(guān)頻率可通過外部電阻設(shè)置高達2MHz，因此不需要使用較大的電感和電容來減小紋波。

4. 內(nèi)部電流限制和熱保護

內(nèi)部逐周期電流限制作為一種保護功能，典型值為2.85A，最大值約為4A，在正常工作條件下不會起作用。內(nèi)部熱保護電路在結(jié)溫超過約160°C時禁用MOSFET功率開關(guān)，當結(jié)溫降至約135°C時重新啟用。

六、應(yīng)用設(shè)計要點

1. 升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計

輸出電壓設(shè)置

通過連接由R F1 和R F2 組成的反饋電阻分壓器，可以將升壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓設(shè)置在1.24V至14V之間。建議R F1 取值為150kΩ，然后根據(jù)公式 (R{F 2}=R{F 1}left/ left( V_{OUT }/ 1.24right) -1right]) 選擇R F2 的值。在R F1 兩端連接一個39pF的電容C F1 ，有助于將輸出電壓的交流紋波反饋到FB引腳，從而減小輸出電壓紋波并提高升壓調(diào)節(jié)器的效率。

自舉操作

當輸出電壓在2.5V至5.0V之間時，建議采用自舉操作，即將VDD引腳連接到輸出端。如果輸出電壓不在此范圍內(nèi)，VDD引腳應(yīng)連接到一個2.5V至5V的電壓源，可以是輸入電壓、通過線性調(diào)節(jié)器降壓后的輸出電壓或系統(tǒng)中其他可用的電壓源。BOOT引腳的最大可接受電壓為10V。

開關(guān)頻率設(shè)置

通過選擇連接在FREQ和VDD引腳之間的外部電阻R FQ 來設(shè)置振蕩器的開關(guān)頻率。建議開關(guān)頻率在300kHz至2MHz之間，較高的開關(guān)頻率允許使用小型的表面貼裝電感和電容，從而減小解決方案的尺寸。

電感選擇

LM2621的高開關(guān)頻率允許使用小型表面貼裝電感，建議選擇6.8μH的屏蔽電感。電感的飽和電流額定值應(yīng)高于電路運行期間的峰值電流，ESR應(yīng)小于100mΩ以確保高效率。應(yīng)避免使用開放式磁芯電感，建議選擇具有高頻磁芯材料（如鐵氧體）的電感，以減少磁芯損耗。為了最小化輻射噪聲，應(yīng)使用環(huán)形、罐形或屏蔽磁芯電感，并將電感盡可能靠近IC連接到SW引腳。

輸出二極管選擇

輸出二極管應(yīng)使用肖特基二極管，其正向電流額定值應(yīng)高于負載電流，反向電壓額定值應(yīng)高于輸出電壓。避免使用普通整流二極管，因為其開關(guān)速度慢和恢復(fù)時間長會導(dǎo)致效率和負載調(diào)節(jié)性能下降。

輸入和輸出濾波電容選擇

建議使用鉭電容作為輸入和輸出濾波電容。輸入濾波電容建議選擇22μF，其直流工作電壓額定值應(yīng)高于最大輸入電壓；輸出電容建議選擇68μF，其直流工作電壓額定值應(yīng)大于輸出電壓。應(yīng)避免使用ESR值過高（>3Ω）的電容。

2. 其他典型應(yīng)用

除了升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，LM2621還可用于5V/0.5A升壓調(diào)節(jié)器、2mm高5V/0.2A低剖面應(yīng)用升壓調(diào)節(jié)器以及3.3V/0.5A SEPIC調(diào)節(jié)器等應(yīng)用。在設(shè)計這些應(yīng)用時，需要根據(jù)具體的設(shè)計要求選擇合適的組件，并遵循上述的設(shè)計要點。

七、電源供應(yīng)與布局建議

1. 電源供應(yīng)

為LM2621供電的電源線應(yīng)具有低阻抗，系統(tǒng)的輸入電容應(yīng)盡可能靠近VIN放置。如果電源噪聲較大，可能需要在系統(tǒng)中添加額外的大容量電容，以確保為IC提供干凈的電源。

2. 布局

由于LM2621具有較高的開關(guān)頻率和峰值電流，因此PCB板的正確布局至關(guān)重要。不良的布局可能會導(dǎo)致過多的電磁干擾（EMI）和接地反彈，從而影響電壓反饋信號和控制部分，導(dǎo)致系統(tǒng)故障和調(diào)節(jié)性能下降。在布局時，應(yīng)將功率組件（如電感、電容和二極管）靠近IC放置，并確保信號路徑短而直接，以減少干擾。

總之，LM2621以其卓越的性能和豐富的功能，為電子工程師在電源管理設(shè)計中提供了一個強大的工具。通過深入了解其特性、工作原理和應(yīng)用設(shè)計要點，工程師們可以充分發(fā)揮LM2621的優(yōu)勢，設(shè)計出高效、穩(wěn)定的電源解決方案。你在使用LM2621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)驗和見解。