深入解析LM3151/2/3 SIMPLE SWITCHER控制器：高效電源解決方案

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的LM3151/2/3 SIMPLE SWITCHER控制器，它為高輸入電壓同步降壓應(yīng)用提供了簡(jiǎn)單而高效的解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

LM3151/2/3是一款易于使用的簡(jiǎn)化降壓電源控制器，在典型應(yīng)用中能夠提供高達(dá)12A的輸出電流。其輸入電壓范圍為6V - 42V，固定輸出電壓為3.3V，具備250 kHz、500 kHz和750 kHz三種固定開(kāi)關(guān)頻率。采用同步架構(gòu)，設(shè)計(jì)效率高，并且采用了Constant On - Time（COT）架構(gòu)和專有的Emulated Ripple Mode（ERM）控制，允許使用低ESR輸出電容器，降低了整體解決方案的尺寸和輸出電壓紋波。

（一）主要特性

1. 寬輸入電壓范圍：6V至42V的寬輸入電壓范圍，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
2. 固定輸出電壓：提供3.3V的固定輸出電壓，滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。
3. 固定開(kāi)關(guān)頻率：250 kHz/500 kHz/750 kHz三種固定開(kāi)關(guān)頻率可選，方便設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。
4. 無(wú)需環(huán)路補(bǔ)償：COT架構(gòu)使得控制器無(wú)需環(huán)路補(bǔ)償，減少了外部元件數(shù)量，降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。
5. WEBENCH支持：完全支持TI的WEBENCH在線設(shè)計(jì)工具，為設(shè)計(jì)過(guò)程提供全方位的支持。
6. 低外部元件數(shù)量：采用Constant On - Time控制，外部元件數(shù)量少。
7. 超快瞬態(tài)響應(yīng)：能夠快速響應(yīng)負(fù)載變化，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。
8. 低ESR電容穩(wěn)定性：可與低ESR電容器穩(wěn)定工作，降低輸出電壓紋波。
9. 輸出電壓預(yù)偏置啟動(dòng)：支持輸出電壓預(yù)偏置啟動(dòng)，適應(yīng)更多應(yīng)用場(chǎng)景。
10. 谷值電流限制：有效防止電流過(guò)大，保護(hù)電路安全。
11. 可編程軟啟動(dòng)：可根據(jù)需要調(diào)整啟動(dòng)時(shí)間，減少啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。

（二）典型應(yīng)用

該控制器廣泛應(yīng)用于電信、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備路由器、安全監(jiān)控和電源模塊等領(lǐng)域，為這些設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。

二、引腳描述

三、電氣特性

（一）啟動(dòng)調(diào)節(jié)器

VCC在CVCC = 1 μF，負(fù)載電流從0 mA到40 mA時(shí)，電壓范圍為5.65V - 6.25V，典型值為5.95V。VIN - VCC的壓降在不同負(fù)載電流下有所不同，IVCC = 2 mA，Vin = 5.5V時(shí)為40 mV；IVCC = 30 mA，Vin = 5.5V時(shí)為330 mV。VCC電流限制為65 - 100 mA，VCC欠壓鎖定閾值為4.75 - 5.40V，滯后為475 mV，UVLO濾波延遲為3 μs。

（二）輸入電流

無(wú)開(kāi)關(guān)操作時(shí)，輸入工作電流為3.6 - 5.2 mA；設(shè)備關(guān)閉時(shí)，輸入工作電流為32 - 55 μA。

（三）柵極驅(qū)動(dòng)

Boost引腳泄漏電流在VBST – VSW = 6V時(shí)為2 nA。HG和LG驅(qū)動(dòng)的上拉和下拉導(dǎo)通電阻在不同電流下有具體數(shù)值，如HG驅(qū)動(dòng)上拉導(dǎo)通電阻在IHG源電流為200 mA時(shí)為5 Ω，下拉導(dǎo)通電阻在IHG吸收電流為200 mA時(shí)為3.4 Ω。

（四）軟啟動(dòng)

SS引腳源電流在VSS = 0V時(shí)為5.9 - 9.5 mA，典型值為7.7 mA；SS引腳放電電流為200 μA。

（五）電流限制

電流限制電壓閾值為175 - 225 mV，典型值為200 mV。

（六）開(kāi)關(guān)時(shí)間

ON定時(shí)器最小脈沖寬度為200 ns，OFF定時(shí)器最小脈沖寬度為370 - 525 ns。

（七）使能輸入

EN引腳輸入閾值跳變點(diǎn)在上升時(shí)為1.14 - 1.26V，典型值為1.20V，滯后為120 mV。

（八）升壓二極管

正向電壓在不同電流下有所不同，IBST = 2 mA時(shí)為0.7V，IBST = 30 mA時(shí)為1V。

（九）熱特性

熱關(guān)斷溫度在上升時(shí)為165°C，滯后為15°C。結(jié)到環(huán)境熱阻在不同PCB條件下有所不同，4層JEDEC印刷電路板、9個(gè)過(guò)孔、無(wú)氣流時(shí)為40°C/W，2層JEDEC印刷電路板、無(wú)氣流時(shí)為140°C/W；結(jié)到外殼熱阻在無(wú)氣流時(shí)為4°C/W。

（十）3.3V輸出選項(xiàng)

輸出電壓為3.234 - 3.366V，典型值為3.3V；輸出過(guò)壓閾值為3.83 - 4.17V，典型值為4.00V。不同型號(hào)的最大和最小輸入電壓有所不同，如LM3151 - 3.3的最大輸入電壓為42V，最小輸入電壓為6V；LM3152 - 3.3的最大輸入電壓為33V，最小輸入電壓為6V；LM3153 - 3.3的最大輸入電壓為18V，最小輸入電壓為8V。開(kāi)關(guān)頻率和導(dǎo)通時(shí)間也因型號(hào)而異，F(xiàn)B電阻到地為566 kΩ。

四、工作原理

（一）Constant On - Time（COT）架構(gòu)

LM3151/2/3采用COT架構(gòu)，這是一種基于滯環(huán)控制方案的衍生架構(gòu)。它依靠固定的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)輸出，高端開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間由內(nèi)部電阻(R{ON})設(shè)定，并且會(huì)根據(jù)輸入電壓自動(dòng)調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間以保持恒定頻率。相關(guān)公式如下： [t{ON}=frac{K × R{ON}}{V{IN}}] 其中(K = 100 pC)，(R{ON})在電氣特性表中指定。 占空比(D)的計(jì)算公式為： [D=frac{t{ON }}{t{ON }+t{OFF }}=t{ON } × f{S} approx frac{V{OUT }}{V{IN }}] 開(kāi)關(guān)頻率(f{S})的計(jì)算公式為： [f{S}=frac{V{OUT }}{K × R{ON }}]

（二）調(diào)節(jié)比較器

輸出電壓通過(guò)FB引腳采樣，經(jīng)兩個(gè)內(nèi)部電阻分壓后與0.6V的內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)采樣的輸出電壓低于0.6V時(shí)，啟動(dòng)導(dǎo)通時(shí)間周期，高端開(kāi)關(guān)導(dǎo)通指定的導(dǎo)通時(shí)間，使采樣電壓上升。導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束后，高端開(kāi)關(guān)保持關(guān)斷，直到滿足最小關(guān)斷時(shí)間或采樣電壓再次低于0.6V。

（三）過(guò)壓比較器

過(guò)壓比較器用于保護(hù)輸出免受因輸入線電壓突然變化或輸出負(fù)載變化引起的過(guò)壓情況。它持續(xù)監(jiān)測(cè)衰減后的FB電壓與0.72V的內(nèi)部參考電壓，當(dāng)FB電壓超過(guò)0.72V時(shí)，立即終止導(dǎo)通時(shí)間脈沖。

（四）電流限制

通過(guò)監(jiān)測(cè)低端開(kāi)關(guān)的電流，將其電壓與200 mV的內(nèi)部參考值(V{CL})進(jìn)行比較。當(dāng)?shù)投碎_(kāi)關(guān)兩端的電壓超過(guò)200 mV時(shí)，電流限制比較器觸發(fā)邏輯，終止下一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間周期。電流限制(I{CL})的計(jì)算公式為： [V{C L}left(T{j}right)=V{C L} timesleft[1+3.3 × 10^{-3} timesleft(T{j}-27right)right]] [I{CL}left(T{j}right)=frac{V{CL}left(T{j}right)}{R{DS(ON) max }}] 其中(R{DS(ON) max })是低端FET在預(yù)期最大FET結(jié)溫下的電阻值，(T_{j})是LM3151/2/3的結(jié)溫。

（五）短路保護(hù)

通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出電壓來(lái)檢測(cè)短路情況。當(dāng)衰減后的反饋電壓低于參考電壓的60%（約0.36V）時(shí)，進(jìn)入短路操作模式。此時(shí)，SS引腳放電，輸出電壓降至0V。SS引腳電壓以由SS電容和(I{SS})確定的速率重新上升，直到達(dá)到0.7V。如果短路故障仍然存在，輸出電流將等于設(shè)定的電流限制。當(dāng)軟啟動(dòng)電壓達(dá)到0.7V時(shí)，再次檢測(cè)輸出電壓，如果衰減后的(V{FB})仍然低于(V_{ref } ×0.6)，則SS引腳再次放電，循環(huán)重復(fù)直到短路故障消除。

（六）軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)功能允許調(diào)節(jié)器逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，減少啟動(dòng)應(yīng)力和電流浪涌。啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)VCC低于欠壓閾值時(shí)，SS引腳內(nèi)部接地，(V{OUT })保持在0V。SS電容用于將(V{FB})從0V緩慢斜坡上升到最終輸出電壓。啟動(dòng)時(shí)間的計(jì)算公式為： [t{S S}=frac{V{ref } × C{S S}}{I{S S}}] 其中(V{ref } = 0.6V)，(I{SS})是軟啟動(dòng)引腳源電流，典型值為7.7 μA。

（七）使能/關(guān)斷

EN引腳可以通過(guò)浮空（由于內(nèi)部上拉電阻連接到VIN）或施加1.26V或更高的邏輯高信號(hào)來(lái)激活。將EN引腳降至1.02V以下可以遠(yuǎn)程關(guān)閉LM3151/2/3，當(dāng)(V_{EN})小于0.4V時(shí)，實(shí)現(xiàn)低靜態(tài)關(guān)斷，此時(shí)內(nèi)部偏置電路關(guān)閉。在某些故障條件下，如過(guò)壓保護(hù)、電流限制、欠壓鎖定或熱關(guān)斷，也會(huì)觸發(fā)關(guān)斷。關(guān)斷時(shí)，軟啟動(dòng)電容放電，故障條件消除后，軟啟動(dòng)電容開(kāi)始充電，使器件以可控方式啟動(dòng)。

（八）熱保護(hù)

內(nèi)部熱關(guān)斷電路在165°C（典型值）時(shí)激活，將控制器置于低功率復(fù)位狀態(tài)，禁用降壓開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通定時(shí)器，并將SS引腳接地。當(dāng)結(jié)溫降至150°C以下時(shí)，SS引腳釋放，恢復(fù)正常操作。

五、設(shè)計(jì)指南

（一）定義電源工作條件

確定最大和最小直流輸入電壓、正常運(yùn)行期間的最大預(yù)期負(fù)載電流以及目標(biāo)開(kāi)關(guān)頻率。

（二）選擇合適的IC控制器

根據(jù)所需的輸入電壓范圍選擇合適的LM3151/2/3控制器版本。較高的開(kāi)關(guān)頻率選項(xiàng)允許使用物理尺寸較小的電感器，但效率可能會(huì)降低。

（三）確定所需電感器

使用公式[E T=left(V{inmax} -V{OUT }right) × frac{V{OUT }}{V{inmax }} × frac{1000}{f{s}}(V × mu s)]計(jì)算電感器的伏 - 微秒常數(shù)ET，其中(f{S})的單位為kHz。通過(guò)負(fù)載電流和伏 - 微秒線在電感諾模圖上的交點(diǎn)確定適合設(shè)計(jì)的電感器。同時(shí)，離線計(jì)算器工具和WEBENCH可以完全計(jì)算設(shè)計(jì)所需的元件要求。

（四）確定輸出電容

典型的滯環(huán)COT轉(zhuǎn)換器需要輸出電容ESR產(chǎn)生一定的紋波并反饋到誤差比較器。LM3151/2/3內(nèi)置的Emulated Ripple Mode控制會(huì)重新創(chuàng)建類似的紋波信號(hào)，從而降低對(duì)輸出電容ESR的要求。最小輸出電容計(jì)算公式為[C{Omin }=70 /left(f{s}^{2} × Lright)]。

六、總結(jié)

LM3151/2/3 SIMPLE SWITCHER控制器以其豐富的特性、高效的工作原理和詳細(xì)的設(shè)計(jì)指南，為電子工程師提供了一個(gè)可靠的電源管理解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇控制器型號(hào)、電感器和輸出電容等元件，充分發(fā)揮該控制器的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計(jì)。你在使用LM3151/2/3控制器的過(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。