LTM8031：高性能DC/DC μModule降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和可靠性至關(guān)重要。LTM8031作為一款電磁兼容（EMC）的36V、1A DC/DC μModule降壓轉(zhuǎn)換器，為工程師們提供了一個(gè)優(yōu)秀的電源解決方案。本文將深入探討LTM8031的特點(diǎn)、性能、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

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一、LTM8031的特點(diǎn)

1. 全面的降壓開(kāi)關(guān)模式電源

LTM8031是一個(gè)完整的降壓開(kāi)關(guān)模式電源，集成了開(kāi)關(guān)控制器、功率開(kāi)關(guān)、電感器、濾波器和所有支持組件，只需添加輸入和輸出濾波電容即可完成設(shè)計(jì)。

2. 寬輸入電壓范圍

輸入電壓范圍為3.6V至36V，能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境，適用于汽車(chē)、工業(yè)等不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

3. 高輸出電流和靈活的輸出電壓

可提供高達(dá)1A的輸出電流，輸出電壓范圍為0.8V至10V，通過(guò)單個(gè)電阻即可輕松設(shè)置，滿(mǎn)足不同負(fù)載的需求。

4. 寬開(kāi)關(guān)頻率范圍

開(kāi)關(guān)頻率范圍為200kHz至2.4MHz，用戶(hù)可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)該頻率范圍符合EN55022 Class B標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的電磁兼容性。

5. 其他特性

具備可編程軟啟動(dòng)功能，可降低啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊；采用低剖面（9mm × 15mm × 2.82mm）表面貼裝LGA封裝，適合高密度負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)，并且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

二、電氣特性

1. 輸入輸出參數(shù)

輸入直流電壓范圍為3.6V至36V，輸出直流電壓可在0.8V至10V之間調(diào)節(jié)，連續(xù)輸出直流電流最大可達(dá)1A。

2. 靜態(tài)電流

在不同條件下，VIN和BIAS的靜態(tài)電流表現(xiàn)良好，如在特定條件下VIN靜態(tài)電流低至0.6μA，BIAS靜態(tài)電流低至0.03μA。

3. 電壓調(diào)節(jié)特性

線路調(diào)節(jié)率和負(fù)載調(diào)節(jié)率都非常出色，例如在10V ≤ VIN ≤ 36V，Iout = 1A，VOUT = 3.3V的條件下，線路調(diào)節(jié)率僅為0.1%；在VIN = 24V，0.2A ≤ Iout ≤ 1A，VOUT = 3.3V的條件下，負(fù)載調(diào)節(jié)率為0.3%。

4. 輸出紋波

輸出紋波（RMS）在VIN = 24V，Iout = 1A，VOUT = 3.3V的條件下為6mV，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。

三、典型性能特性

1. 效率曲線

不同輸入電壓和輸出電壓下的效率曲線顯示，LTM8031在各種工況下都能保持較高的效率，例如在不同輸入電壓下，3.3V、5V和8V輸出時(shí)的效率都能達(dá)到較高水平。

2. 輸入輸出電流關(guān)系

輸入電流與輸出電流的關(guān)系曲線有助于工程師了解電源模塊在不同負(fù)載下的功耗情況，為設(shè)計(jì)提供參考。

3. 最小輸入電壓與輸出電流關(guān)系

最小輸入電壓與輸出電流的關(guān)系曲線表明，LTM8031在不同輸出電壓和負(fù)載條件下，對(duì)輸入電壓有不同的要求，工程師可以根據(jù)這些曲線合理選擇輸入電源。

4. 溫度特性

溫度上升與負(fù)載電流的關(guān)系曲線顯示，在不同輸出電壓下，隨著負(fù)載電流的增加，模塊的溫度會(huì)相應(yīng)上升，工程師需要考慮散熱設(shè)計(jì)以確保模塊在合適的溫度范圍內(nèi)工作。

四、引腳功能

1. VIN

為L(zhǎng)TM8031的內(nèi)部調(diào)節(jié)器和內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)提供電流，必須使用至少1μF的外部低ESR電容進(jìn)行本地旁路。

2. FIN

濾波輸入，僅在需要修改集成EMI濾波器的行為或VIN快速上升或下降時(shí)使用，否則可留空。

3. GND

將這些GND引腳連接到LTM8031下方的本地接地平面和電路組件，反饋分壓器（RADJ）應(yīng)連接到該網(wǎng)絡(luò)。

4. VOUT

功率輸出引腳，輸出濾波電容和輸出負(fù)載應(yīng)連接在這些引腳和GND引腳之間。

5. AUX

為BIAS提供低電流電壓源，在許多設(shè)計(jì)中，BIAS引腳可直接連接到Vout。

6. BIAS

連接到內(nèi)部電源總線，必須連接到大于2.8V的電源。如果輸出電壓大于2.8V，可將此引腳連接到AUX；如果輸出電壓較小，則應(yīng)連接到2.8V至25V之間的電壓源，同時(shí)要確保BIAS + VIN小于56V。

7. RUN/SS

將RUN/SS引腳拉至低于0.2V可關(guān)閉LTM8031，連接到2.5V或更高電壓可正常工作。如果不使用關(guān)機(jī)功能，可將此引腳連接到VIN引腳。此外，該引腳還提供軟啟動(dòng)功能。

8. RT

用于通過(guò)連接一個(gè)電阻到地來(lái)編程LTM8031的開(kāi)關(guān)頻率，數(shù)據(jù)手冊(cè)的應(yīng)用信息部分提供了根據(jù)所需開(kāi)關(guān)頻率確定電阻值的表格。

9. SHARE

在并聯(lián)輸出時(shí)，將此引腳連接到另一個(gè)LTM8031的SHARE引腳。

10. SYNC

外部時(shí)鐘同步輸入，接地可實(shí)現(xiàn)低輸出負(fù)載下的低紋波Burst Mode?操作，連接到大于0.7V的穩(wěn)定電壓源可禁用Burst Mode操作，不要讓此引腳浮空。

11. PGOOD

內(nèi)部比較器的開(kāi)集輸出，當(dāng)ADJ引腳電壓達(dá)到最終調(diào)節(jié)電壓的90%時(shí)，PGOOD保持低電平。當(dāng)VIN高于3.6V且RUN/SS為高電平時(shí)，PGOOD輸出有效。如果不使用此功能，可讓此引腳浮空。

12. ADJ

LTM8031將其ADJ引腳調(diào)節(jié)到0.79V，通過(guò)連接一個(gè)調(diào)節(jié)電阻到地來(lái)設(shè)置輸出電壓，電阻值可根據(jù)公式 (R{ADJ}=frac{196.71}{V{OUT }-0.79}) 計(jì)算。

五、應(yīng)用信息

1. 設(shè)計(jì)流程

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單：首先查看推薦組件值和配置表，找到所需的輸入范圍和輸出電壓對(duì)應(yīng)的行；然后應(yīng)用推薦的CIN、COUT、RADJ和RT值；最后按照指示連接BIAS。

2. 電容選擇

CIN和COUT電容值是推薦的最小值，使用低于表中指示的值可能導(dǎo)致不良操作，而使用較大的值通常是可以接受的，并且在必要時(shí)可以改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)。陶瓷電容具有體積小、堅(jiān)固和低ESR的優(yōu)點(diǎn)，但并非所有陶瓷電容都適用，X5R和X7R類(lèi)型在溫度和電壓變化時(shí)較為穩(wěn)定，而Y5V和Z5U類(lèi)型的電容溫度和電壓系數(shù)較大，可能導(dǎo)致輸出電壓紋波增大。此外，陶瓷電容在Burst Mode操作時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲，若無(wú)法接受，可使用高性能電解電容作為輸出電容。

3. 電磁兼容性

LTM8031符合EN55022 Class B的輻射發(fā)射要求，典型性能特性部分提供了其EMC性能的圖表，更多數(shù)據(jù)、操作條件和測(cè)試設(shè)置可在Linear Technology提供的EMI測(cè)試報(bào)告中查看。

4. 頻率選擇

LTM8031采用恒定頻率PWM架構(gòu)，可通過(guò)連接一個(gè)電阻從RT引腳到地來(lái)編程開(kāi)關(guān)頻率，范圍為200kHz至2.4MHz。建議用戶(hù)根據(jù)輸入和輸出操作條件選擇表1中給出的最佳RT值，隨意選擇頻率可能導(dǎo)致在某些操作或故障條件下出現(xiàn)不良操作。

5. BIAS引腳考慮

BIAS引腳用于為內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)級(jí)提供驅(qū)動(dòng)功率并操作內(nèi)部電路，必須由至少2.8V的電源供電。如果輸出電壓編程為2.8V或更高，可將BIAS連接到AUX；如果VOUT小于2.8V，BIAS可連接到VIN或其他電壓源。同時(shí)要確保BIAS引腳的最大電壓小于25V，且VIN和BIAS的總和小于56V。

6. 負(fù)載共享

兩個(gè)或更多LTM8031可以并聯(lián)以產(chǎn)生更高的電流，但這可能會(huì)改變其EMI性能。并聯(lián)時(shí)，應(yīng)將所有LTM8031的VIN、ADJ、VOUT和SHARE引腳連接在一起，為確保并聯(lián)模塊一起啟動(dòng)，RUN/SS引腳也可連接在一起。如有需要，可將LTM8031同步到外部時(shí)鐘以消除拍頻。

7. Burst Mode操作

為了提高輕負(fù)載時(shí)的效率，LTM8031會(huì)自動(dòng)切換到Burst Mode操作，在這種模式下，輸出電容保持在適當(dāng)?shù)碾妷?，同時(shí)最小化輸入靜態(tài)電流。通過(guò)將SYNC連接到GND可啟用Burst Mode操作，連接到高于0.7V的穩(wěn)定電壓源可禁用該模式。

8. 最小輸入電壓

LTM8031是降壓轉(zhuǎn)換器，需要一定的輸入電壓裕量來(lái)保持輸出穩(wěn)定。啟動(dòng)所需的輸入電壓高于運(yùn)行所需的電壓，且取決于RUN/SS的使用情況。典型性能特性部分提供了不同輸出電壓下的最小輸入電壓曲線。

9. 軟啟動(dòng)

RUN/SS引腳可用于軟啟動(dòng)LTM8031，通過(guò)外部RC網(wǎng)絡(luò)在該引腳產(chǎn)生電壓斜坡，可降低啟動(dòng)時(shí)的最大輸入電流。

10. 同步

LTM8031的內(nèi)部振蕩器可通過(guò)向SYNC引腳施加250kHz至2MHz的外部時(shí)鐘進(jìn)行同步，連接到RT引腳到地的電阻應(yīng)選擇使LTM8031的振蕩頻率比預(yù)期同步頻率低20%。同步到外部時(shí)鐘時(shí)，LTM8031不會(huì)進(jìn)入Burst Mode操作，而是跳過(guò)脈沖以保持調(diào)節(jié)。

11. 短路輸入保護(hù)

在系統(tǒng)中，如果LTM8031的輸入缺失時(shí)輸出保持高電平，需要注意保護(hù)。例如在電池充電應(yīng)用或電池備份系統(tǒng)中，可采用適當(dāng)?shù)碾娐穪?lái)防止短路輸入或反向輸入對(duì)設(shè)備造成損壞。

12. PCB布局

盡管LTM8031具有高度集成性，但在PCB布局時(shí)仍需注意以下幾點(diǎn)：將RADJ和RT電阻盡可能靠近各自的引腳；將CIN電容盡可能靠近LTM8031的VIN和GND連接；將COUT電容盡可能靠近LTM8031的Vout和GND連接；確保CIN和Cout電容的接地電流直接相鄰或在LTM8031下方流動(dòng)；將所有GND連接到頂層盡可能大的銅箔或平面區(qū)域，避免外部組件和LTM8031之間的接地連接中斷；使用過(guò)孔將GND銅區(qū)域連接到電路板的內(nèi)部接地平面，以提供良好的接地連接和熱路徑。

13. 熱插拔安全

陶瓷電容作為L(zhǎng)TM8031的輸入旁路電容時(shí)，在熱插拔到帶電或快速上升或下降的電源時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題?？赏ㄟ^(guò)添加帶有串聯(lián)電阻的電容或鋁電解電容來(lái)阻尼電路，防止輸入電壓過(guò)沖。

14. 熱考慮

如果LTM8031需要在高環(huán)境溫度下運(yùn)行或提供大量連續(xù)功率，可能需要對(duì)輸出電流進(jìn)行降額?？蓞⒖嫉湫托阅芴匦圆糠值臏囟壬仙€，同時(shí)注意電路板的設(shè)計(jì)對(duì)熱阻的影響，確保LTM8031的結(jié)溫低于最大額定值125°C。

六、典型應(yīng)用

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，包括0.82V、1.8V、2.5V、3.3V、5V和8V的降壓轉(zhuǎn)換器，以及兩個(gè)LTM8031并聯(lián)的應(yīng)用電路，為工程師提供了實(shí)際設(shè)計(jì)的參考。

七、總結(jié)

LTM8031是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的DC/DC μModule降壓轉(zhuǎn)換器，具有寬輸入電壓范圍、高輸出電流、靈活的輸出電壓調(diào)節(jié)、良好的電磁兼容性等特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇組件值、頻率、BIAS電源等，并注意PCB布局、熱插拔安全和熱管理等問(wèn)題，以確保電源模塊的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

你在使用LTM8031的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？或者你對(duì)電源模塊的設(shè)計(jì)有什么獨(dú)特的見(jiàn)解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。