解析 LT8645SA/LT8646SA 同步降壓調(diào)節(jié)器：高效與低 EMI 的完美結(jié)合

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，選擇一款合適的降壓調(diào)節(jié)器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討一下 Analog Devices 推出的 LT8645SA/LT8646SA 同步降壓調(diào)節(jié)器，看看它有哪些獨(dú)特的特性和優(yōu)勢(shì)。

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一、產(chǎn)品概述

LT8645SA/LT8646SA 是一款采用第二代 Silent Switcher 架構(gòu)的同步降壓調(diào)節(jié)器，旨在最大限度地減少 EMI 輻射，同時(shí)在高開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)高效率。它具有寬輸入電壓范圍（3.4V 至 65V）和寬輸出電壓范圍（0.97V 至 (V_{IN}-0.5V)），能夠滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。此外，該調(diào)節(jié)器還具備超低靜態(tài)電流（Burst Mode 模式下低至 2.5μA）、快速瞬態(tài)響應(yīng)和電流共享等特性，適用于汽車和工業(yè)電源等領(lǐng)域。

二、關(guān)鍵特性分析

2.1 Silent Switcher 2 架構(gòu)

• 超低 EMI 輻射：該架構(gòu)集成了旁路電容，優(yōu)化了內(nèi)部所有的快速電流環(huán)路，消除了 PCB 布局的敏感性，從而在任何 PCB 上都能實(shí)現(xiàn)超低的 EMI 輻射。此外，還支持可選的擴(kuò)頻調(diào)制，進(jìn)一步降低 EMI 干擾。
• 內(nèi)部旁路電容：內(nèi)部旁路電容的使用減少了輻射 EMI，使得設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 高效率與高頻性能

• 高轉(zhuǎn)換效率：在 400kHz 時(shí)，從 24V 輸入到 5V 輸出的效率高達(dá) 94%；在 1MHz 時(shí)，效率也能達(dá)到 93%。這意味著在高頻率下也能保持出色的效率，減少能量損耗。
• 快速開(kāi)關(guān)特性：快速、干凈、低過(guò)沖的開(kāi)關(guān)邊緣使得即使在高開(kāi)關(guān)頻率下也能實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行，從而減小了整體解決方案的尺寸。

2.3 寬輸入輸出電壓范圍

• 輸入電壓范圍：3.4V 至 65V 的寬輸入電壓范圍，使得該調(diào)節(jié)器能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境，為各種應(yīng)用提供了靈活性。
• 輸出電壓范圍：0.97V 至 (V_{IN}-0.5V) 的寬輸出電壓范圍，可以滿足不同負(fù)載的需求。

2.4 超低靜態(tài)電流

• Burst Mode 模式：在輕負(fù)載情況下，調(diào)節(jié)器進(jìn)入 Burst Mode 模式，此時(shí)所有與控制輸出開(kāi)關(guān)相關(guān)的電路都會(huì)關(guān)閉，將輸入電源電流降低至 1.7μA（LT8645SA）或 230μA（LT8646SA 且 (BIAS = 0)）。在典型應(yīng)用中，無(wú)負(fù)載調(diào)節(jié)時(shí)，輸入電源消耗的電流僅為 2.5μA（LT8645SA）或 120μA（LT8646SA 且 (BIAS = 5V_{out})）。

2.5 其他特性

• 外部補(bǔ)償：LT8646SA 具有外部補(bǔ)償功能，可實(shí)現(xiàn)電流共享和快速瞬態(tài)響應(yīng)，適用于對(duì)性能要求較高的應(yīng)用。
• 快速最小開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間：最小導(dǎo)通時(shí)間僅為 40ns，允許在高開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)高降壓比。
• 低 dropout：在所有條件下，dropout 電壓低至 60mV（1A 時(shí)），確保了在不同負(fù)載下的穩(wěn)定輸出。
• 可調(diào)節(jié)和同步：開(kāi)關(guān)頻率可在 200kHz 至 2.2MHz 之間調(diào)節(jié)，并可同步到外部時(shí)鐘，方便與其他系統(tǒng)進(jìn)行配合。
• 輸出軟啟動(dòng)和跟蹤：通過(guò) TR/SS 引腳，用戶可以控制輸出電壓的上升速率，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和跟蹤功能，避免電流沖擊。

三、工作原理

LT8645SA/LT8646SA 是一款單片、恒定頻率、電流模式的降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。振蕩器通過(guò) RT 引腳的電阻設(shè)置頻率，在每個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)開(kāi)啟內(nèi)部頂部功率開(kāi)關(guān)。電感電流隨后增加，直到頂部開(kāi)關(guān)電流比較器觸發(fā)并關(guān)閉頂部功率開(kāi)關(guān)。頂部開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)的峰值電感電流由內(nèi)部 (V{C}) 節(jié)點(diǎn)的電壓控制。誤差放大器通過(guò)將 (V{FB}) 引腳的電壓與內(nèi)部 0.97V 參考電壓進(jìn)行比較，來(lái)調(diào)節(jié) (V{C}) 節(jié)點(diǎn)的電壓。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，反饋電壓相對(duì)于參考電壓降低，誤差放大器會(huì)提高 (V{C}) 電壓，直到平均電感電流與新的負(fù)載電流匹配。當(dāng)頂部功率開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，同步功率開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始或電感電流降至零。

四、應(yīng)用信息

4.1 低 EMI PCB 布局

為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，LT8645SA/LT8646SA 應(yīng)使用多個(gè) (V{IN}) 旁路電容。兩個(gè) 0.47μF 的小電容應(yīng)盡可能靠近器件放置，一個(gè)在器件的每一側(cè)（(C{OPT 1}, C{OPT 2})）。一個(gè)更大值（4.7μF 或更高）的電容應(yīng)放置在 (C{OPT 1}) 或 (C_{OPT 2}) 附近。輸入電容、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。同時(shí)，應(yīng)在應(yīng)用電路下方的最接近表面層的層上放置一個(gè)局部、不間斷的接地平面，以減少 EMI 輻射。

4.2 不同工作模式

• Burst Mode 模式：在輕負(fù)載情況下，調(diào)節(jié)器進(jìn)入 Burst Mode 模式，通過(guò)最小化輸入靜態(tài)電流和輸出電壓紋波，提高輕負(fù)載效率。此時(shí)，調(diào)節(jié)器會(huì)向輸出電容提供單個(gè)小電流脈沖，然后進(jìn)入睡眠期，由輸出電容提供輸出功率。
• 強(qiáng)制連續(xù)模式（FCM）：在 FCM 模式下，振蕩器連續(xù)運(yùn)行，正 SW 轉(zhuǎn)換與時(shí)鐘對(duì)齊。在輕負(fù)載或大瞬態(tài)條件下，允許負(fù)電感電流。調(diào)節(jié)器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)。
• 擴(kuò)頻模式：通過(guò)將 SYNC/MODE 引腳拉高至 (INTV_{cc})（或 >3V），可以啟用擴(kuò)頻模式。在該模式下，采用三角頻率調(diào)制來(lái)改變開(kāi)關(guān)頻率，將其在 RT 編程值的基礎(chǔ)上變化約 20%，從而進(jìn)一步降低 EMI 輻射。

4.3 同步功能

將方波連接到 SYNC/MODE 引腳，可以將 LT8645SA/LT8646SA 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），最小導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間為 50ns。同步時(shí)，調(diào)節(jié)器不會(huì)進(jìn)入 Burst Mode 模式，而是運(yùn)行在 FCM 模式以維持調(diào)節(jié)。

4.4 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。為了保持輸出電壓的準(zhǔn)確性，建議使用 1% 的電阻。對(duì)于 LT8645SA，如果需要低輸入靜態(tài)電流和良好的輕負(fù)載效率，應(yīng)使用較大的 FB 電阻分壓器值。同時(shí)，應(yīng)在 (V_{OUT}) 和 FB 之間連接一個(gè) 1pF 至 10pF 的相位超前電容。

4.5 開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置

LT8645SA/LT8646SA 采用恒定頻率 PWM 架構(gòu)，通過(guò)將電阻從 RT 引腳連接到地，可以將開(kāi)關(guān)頻率編程為 200kHz 至 2.2MHz。所需的 (R{T}) 值可以通過(guò)公式 (R{T}=frac{46.5}{f{SW}}-5.2) 計(jì)算得出，其中 (R{T}) 以 kΩ 為單位，(f_{sw}) 為所需的開(kāi)關(guān)頻率（MHz）。

4.6 電感選擇和最大輸出電流

電感的選擇應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的輸出負(fù)載要求進(jìn)行。一個(gè)好的電感值選擇公式為 (L=left(frac{V{OUT }+V{SW(BOT)}}{f{SW}}right) cdot 0.4)，其中 (f{sw}) 為開(kāi)關(guān)頻率（MHz），(V{OUT}) 為輸出電壓，(V{SW(BOT)}) 為底部開(kāi)關(guān)壓降（約 0.2V），L 為電感值（μH）。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。

4.7 輸入和輸出電容

• 輸入電容：為了獲得最佳性能，(V{IN}) 應(yīng)使用至少三個(gè)陶瓷電容進(jìn)行旁路。兩個(gè) 0.47μF 的小陶瓷電容應(yīng)靠近器件放置，一個(gè)在器件的每一側(cè)。一個(gè)更大值（4.7μF 或更大）的陶瓷電容應(yīng)放置在 (C{OPT 1}) 或 (C_{OPT 2}) 附近。建議使用 X7R 或 X5R 電容，以確保在溫度和輸入電壓變化時(shí)具有良好的性能。
• 輸出電容：輸出電容的主要功能是過(guò)濾調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的方波，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。陶瓷電容具有非常低的等效串聯(lián)電阻（ESR），可以提供最佳的紋波性能。建議使用 X5R 或 X7R 類型的電容，以獲得低輸出紋波和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。

五、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，包括 5V 8A、3.3V 8A 等不同輸出電壓和電流的降壓轉(zhuǎn)換器，以及超低 EMI 和 2MHz 等不同特性的電路。這些電路展示了 LT8645SA/LT8646SA 在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的具體應(yīng)用方式，為工程師提供了參考。

六、總結(jié)

LT8645SA/LT8646SA 同步降壓調(diào)節(jié)器憑借其獨(dú)特的 Silent Switcher 2 架構(gòu)、高效率、低 EMI 輻射、寬輸入輸出電壓范圍和超低靜態(tài)電流等特性，成為了汽車和工業(yè)電源等領(lǐng)域的理想選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇電感、電容等元件，并注意 PCB 布局和工作模式的設(shè)置，以充分發(fā)揮該調(diào)節(jié)器的性能優(yōu)勢(shì)。

大家在使用 LT8645SA/LT8646SA 過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？或者對(duì)于降壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，你有什么獨(dú)特的見(jiàn)解，歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。