深入剖析 LTM4691：低輸入電壓、高效雙路 2A 降壓 DC/DC μModule 穩(wěn)壓器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理模塊的性能對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率起著至關(guān)重要的作用。今天，我們將深入探討 ADI 公司的 LTM4691 低輸入電壓、高效雙路 2A 降壓 DC/DC μModule 穩(wěn)壓器，了解它的特點(diǎn)、應(yīng)用以及如何在實(shí)際設(shè)計(jì)中發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

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一、產(chǎn)品概述

LTM4691 是一款高度集成的雙路 2A 輸出開關(guān)模式 DC/DC 電源，采用了小巧的 3mm × 4mm × 1.18mm LGA 封裝和 3mm × 4mm × 1.48mm BGA 封裝。模塊內(nèi)部集成了開關(guān)控制器、功率 FET、電感器以及所有支持組件，能夠在 2.25V 至 3.6V 的輸入電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，支持兩個(gè)輸出，輸出電壓范圍可通過外部電阻編程設(shè)置為 0.5V 至 2.5V。

二、產(chǎn)品特性

2.1 封裝與尺寸

LTM4691 提供了兩種封裝形式，LGA 封裝和 BGA 封裝，尺寸小巧，適合對(duì)空間要求較高的應(yīng)用場景。其低輪廓設(shè)計(jì)使得它能夠輕松集成到各種緊湊的電路板中。

2.2 輸入輸出特性

• 輸入電壓范圍：2.25V 至 3.6V，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 雙路 2A 輸出：能夠同時(shí)為兩個(gè)負(fù)載提供穩(wěn)定的 2A 直流輸出電流，滿足不同負(fù)載的需求。
• 輸出電壓調(diào)節(jié)：總輸出電壓調(diào)節(jié)精度為 ±1.5%，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。

2.3 控制與保護(hù)特性

• 電流模式控制：采用電流模式控制，具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)，能夠迅速響應(yīng)負(fù)載變化。
• 外部頻率同步：可以將開關(guān)頻率同步到 1MHz 至 3MHz 的外部時(shí)鐘，方便與其他電路進(jìn)行同步。
• 180° 異相工作：兩路降壓轉(zhuǎn)換器以 180° 異相工作，減少輸入紋波電流，降低對(duì)輸入電源的要求。
• 可選工作模式：支持脈沖跳過模式、Burst Mode? 操作和強(qiáng)制連續(xù)模式，可根據(jù)不同的負(fù)載情況選擇合適的工作模式，提高效率。
• 電源良好指示：通過 PGOOD 引腳指示電源狀態(tài)，方便系統(tǒng)監(jiān)控。
• 內(nèi)部軟啟動(dòng)：防止啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，保護(hù)電路元件。
• 內(nèi)部補(bǔ)償：簡化了外部電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 過壓、過流和過熱保護(hù)：確保在異常情況下保護(hù)設(shè)備安全。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

LTM4691 廣泛應(yīng)用于電信、網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域，尤其適用于負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)、FPGA 和 ASIC 核心電源等應(yīng)用場景。其高效、穩(wěn)定的性能能夠滿足這些領(lǐng)域?qū)﹄娫吹膰?yán)格要求。

四、工作原理

4.1 開關(guān)模式控制

LTM4691 集成了兩個(gè)恒定頻率峰值電流模式調(diào)節(jié)器，通過控制功率 MOSFET 的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。典型的開關(guān)頻率為 2MHz，可通過外部時(shí)鐘同步到 1MHz 至 3MHz。

4.2 電流模式控制

電流模式控制提供了逐周期的快速電流限制，能夠在過流情況下及時(shí)保護(hù)電路。同時(shí)，內(nèi)部反饋環(huán)路補(bǔ)償確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)性能。

4.3 電源良好信號(hào)

每個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器都有自己的內(nèi)部 PGOOD 信號(hào)，當(dāng)任一啟用的降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓超出正常范圍時(shí)，PGOOD 引腳將被拉低，向微處理器發(fā)出電源故障信號(hào)。

4.4 軟啟動(dòng)與保護(hù)機(jī)制

LTM4691 具有內(nèi)部軟啟動(dòng)功能，在啟動(dòng)時(shí)逐漸增加輸出電壓，避免電流沖擊。同時(shí)，它還具備過壓、過流和過熱保護(hù)功能，確保在異常情況下保護(hù)設(shè)備安全。

五、應(yīng)用信息

5.1 輸入輸出電容選擇

• 輸入電容：建議在每個(gè) (V_{IN}) 引腳附近使用 10μF 的輸入陶瓷電容進(jìn)行 RMS 紋波電流去耦。當(dāng)輸入源阻抗較高時(shí)，可添加大容量的電解鋁電容或聚合物電容作為輸入電容。
• 輸出電容：僅需一個(gè) 22μF 的低 ESR 輸出陶瓷電容即可實(shí)現(xiàn)低輸出電壓紋波和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。根據(jù)具體應(yīng)用需求，可添加額外的輸出濾波電容。

5.2 輸出電壓編程

通過在 VOUT 遠(yuǎn)程感測點(diǎn)與 FB 引腳之間以及 FB 引腳與 SGND 引腳之間添加電阻分壓器，可以編程設(shè)置輸出電壓。推薦使用 1% 的電阻以保持輸出電壓的準(zhǔn)確性。

5.3 模式選擇

LTM4691 支持三種工作模式：脈沖跳過模式、強(qiáng)制連續(xù) PWM 模式和 Burst Mode 操作。通過設(shè)置 MODE/SYNC 引腳可以選擇不同的工作模式，以滿足不同負(fù)載情況下的效率和性能要求。

5.4 頻率同步

LTM4691 的內(nèi)部振蕩器可以通過內(nèi)部 PLL 電路同步到外部時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻率同步。同步時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器將工作在強(qiáng)制連續(xù)模式。

5.5 電源良好信號(hào)

PGOOD 引腳用于報(bào)告電源故障和過壓情況。當(dāng)任一啟用的降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓超出正常范圍時(shí)，PGOOD 引腳將被拉低。同時(shí)，PGOOD 引腳還具有 120μs 的濾波時(shí)間和斷言延遲，以防止在負(fù)載瞬變時(shí)誤觸發(fā)。

5.6 過壓保護(hù)

當(dāng) FB 引腳電壓大于其調(diào)節(jié)值的 110% 時(shí)，LTM4691 的 PMOS 將立即關(guān)閉，以保護(hù)輸出電路免受過壓損壞。

5.7 軟啟動(dòng)

LTM4691 具有內(nèi)部軟啟動(dòng)功能，在啟動(dòng)時(shí)輸出電壓將按比例跟蹤內(nèi)部電壓斜坡，防止輸入電源的電流沖擊和輸出電壓過沖。

5.8 短路保護(hù)與恢復(fù)

當(dāng)輸出短路時(shí)，LTM4691 通過限制電感電流來保護(hù)電路。當(dāng)電感電流超過設(shè)定的峰值時(shí)，PMOS 將被關(guān)閉，后續(xù)的開關(guān)周期將被跳過，直到電感電流下降到安全范圍內(nèi)。

六、熱考慮與輸出電流降額

為了防止熱損壞，LTM4691 內(nèi)置了過熱保護(hù)功能。當(dāng)結(jié)溫達(dá)到約 165°C 時(shí)，兩個(gè)功率開關(guān)將關(guān)閉，直到溫度降至 160°C 才恢復(fù)工作。

數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供了熱阻參數(shù)，可用于有限元分析（FEA）軟件建模。同時(shí)，還提供了降額曲線，可根據(jù)不同的環(huán)境溫度和負(fù)載電流來確定最大輸出電流。

七、布局考慮

為了優(yōu)化 LTM4691 的電氣和熱性能，在 PCB 布局時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

• 使用大面積的 PCB 銅箔作為高電流路徑，包括 (V{IN})、GND 和 (V{OUT})，以減少 PCB 傳導(dǎo)損耗和熱應(yīng)力。
• 在 (V{IN})、GND 和 (V{OUT}) 引腳附近放置高頻陶瓷輸入和輸出電容，以減少高頻噪聲。
• 在器件下方設(shè)置專用的電源接地層。
• 使用多個(gè)過孔進(jìn)行頂層與其他電源層之間的互連，以減少過孔傳導(dǎo)損耗和模塊熱應(yīng)力。
• 避免在焊盤上直接放置過孔，除非過孔被覆蓋或鍍覆。
• 為連接到信號(hào)引腳的組件使用單獨(dú)的 SGND 接地銅箔區(qū)域，并將 SGND 連接到器件下方的 GND。
• 在信號(hào)引腳上引出測試點(diǎn)，以便進(jìn)行監(jiān)測。

八、總結(jié)

LTM4691 是一款性能出色的雙路 2A 降壓 DC/DC μModule 穩(wěn)壓器，具有小巧的封裝、高效的性能和豐富的保護(hù)功能。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過合理選擇外部組件、優(yōu)化 PCB 布局和考慮熱管理，可以充分發(fā)揮 LTM4691 的優(yōu)勢(shì)，為各種應(yīng)用提供穩(wěn)定可靠的電源解決方案。

你在使用 LTM4691 或其他類似電源模塊時(shí)是否遇到過什么問題？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。