深入剖析 LTM4691：低输入电压、高效双路 2A 降压 DC/DC μModule 稳压器

在电子设计领域，电源管理模块的性能对于整个系统的稳定性和效率起着至关重要的作用。今天，我们将深入探讨 ADI 公司的 LTM4691 低输入电压、高效双路 2A 降压 DC/DC μModule 稳压器，了解它的特点、应用以及如何在实际设计中发挥其优势。

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一、产品概述

LTM4691 是一款高度集成的双路 2A 输出开关模式 DC/DC 电源，采用了小巧的 3mm × 4mm × 1.18mm LGA 封装和 3mm × 4mm × 1.48mm BGA 封装。模块内部集成了开关控制器、功率 FET、电感器以及所有支持组件，能够在 2.25V 至 3.6V 的输入电压范围内稳定工作，支持两个输出，输出电压范围可通过外部电阻编程设置为 0.5V 至 2.5V。

二、产品特性

2.1 封装与尺寸

LTM4691 提供了两种封装形式，LGA 封装和 BGA 封装，尺寸小巧，适合对空间要求较高的应用场景。其低轮廓设计使得它能够轻松集成到各种紧凑的电路板中。

2.2 输入输出特性

• 输入电压范围：2.25V 至 3.6V，适应多种电源环境。
• 双路 2A 输出：能够同时为两个负载提供稳定的 2A 直流输出电流，满足不同负载的需求。
• 输出电压调节：总输出电压调节精度为 ±1.5%，确保输出电压的稳定性。

2.3 控制与保护特性

• 电流模式控制：采用电流模式控制，具有快速的瞬态响应，能够迅速响应负载变化。
• 外部频率同步：可以将开关频率同步到 1MHz 至 3MHz 的外部时钟，方便与其他电路进行同步。
• 180° 异相工作：两路降压转换器以 180° 异相工作，减少输入纹波电流，降低对输入电源的要求。
• 可选工作模式：支持脉冲跳过模式、Burst Mode® 操作和强制连续模式，可根据不同的负载情况选择合适的工作模式，提高效率。
• 电源良好指示：通过 PGOOD 引脚指示电源状态，方便系统监控。
• 内部软启动：防止启动时的电流冲击，保护电路元件。
• 内部补偿：简化了外部电路设计，提高了系统的稳定性。
• 过压、过流和过热保护：确保在异常情况下保护设备安全。

三、应用领域

LTM4691 广泛应用于电信、网络和工业设备等领域，尤其适用于负载点调节、FPGA 和 ASIC 核心电源等应用场景。其高效、稳定的性能能够满足这些领域对电源的严格要求。

四、工作原理

4.1 开关模式控制

LTM4691 集成了两个恒定频率峰值电流模式调节器，通过控制功率 MOSFET 的开关来实现电压转换。典型的开关频率为 2MHz，可通过外部时钟同步到 1MHz 至 3MHz。

4.2 电流模式控制

电流模式控制提供了逐周期的快速电流限制，能够在过流情况下及时保护电路。同时，内部反馈环路补偿确保了系统的稳定性和良好的瞬态性能。

4.3 电源良好信号

每个降压转换器都有自己的内部 PGOOD 信号，当任一启用的降压转换器的输出电压超出正常范围时，PGOOD 引脚将被拉低，向微处理器发出电源故障信号。

4.4 软启动与保护机制

LTM4691 具有内部软启动功能，在启动时逐渐增加输出电压，避免电流冲击。同时，它还具备过压、过流和过热保护功能，确保在异常情况下保护设备安全。

五、应用信息

5.1 输入输出电容选择

• 输入电容：建议在每个 (V_{IN}) 引脚附近使用 10µF 的输入陶瓷电容进行 RMS 纹波电流去耦。当输入源阻抗较高时，可添加大容量的电解铝电容或聚合物电容作为输入电容。
• 输出电容：仅需一个 22μF 的低 ESR 输出陶瓷电容即可实现低输出电压纹波和良好的瞬态响应。根据具体应用需求，可添加额外的输出滤波电容。

5.2 输出电压编程

通过在 VOUT 远程感测点与 FB 引脚之间以及 FB 引脚与 SGND 引脚之间添加电阻分压器，可以编程设置输出电压。推荐使用 1% 的电阻以保持输出电压的准确性。

5.3 模式选择

LTM4691 支持三种工作模式：脉冲跳过模式、强制连续 PWM 模式和 Burst Mode 操作。通过设置 MODE/SYNC 引脚可以选择不同的工作模式，以满足不同负载情况下的效率和性能要求。

5.4 频率同步

LTM4691 的内部振荡器可以通过内部 PLL 电路同步到外部时钟信号，实现频率同步。同步时，降压转换器将工作在强制连续模式。

5.5 电源良好信号

PGOOD 引脚用于报告电源故障和过压情况。当任一启用的降压转换器的输出电压超出正常范围时，PGOOD 引脚将被拉低。同时，PGOOD 引脚还具有 120μs 的滤波时间和断言延迟，以防止在负载瞬变时误触发。

5.6 过压保护

当 FB 引脚电压大于其调节值的 110% 时，LTM4691 的 PMOS 将立即关闭，以保护输出电路免受过压损坏。

5.7 软启动

LTM4691 具有内部软启动功能，在启动时输出电压将按比例跟踪内部电压斜坡，防止输入电源的电流冲击和输出电压过冲。

5.8 短路保护与恢复

当输出短路时，LTM4691 通过限制电感电流来保护电路。当电感电流超过设定的峰值时，PMOS 将被关闭，后续的开关周期将被跳过，直到电感电流下降到安全范围内。

六、热考虑与输出电流降额

为了防止热损坏，LTM4691 内置了过热保护功能。当结温达到约 165°C 时，两个功率开关将关闭，直到温度降至 160°C 才恢复工作。

数据手册中提供了热阻参数，可用于有限元分析（FEA）软件建模。同时，还提供了降额曲线，可根据不同的环境温度和负载电流来确定最大输出电流。

七、布局考虑

为了优化 LTM4691 的电气和热性能，在 PCB 布局时需要注意以下几点：

• 使用大面积的 PCB 铜箔作为高电流路径，包括 (V{IN})、GND 和 (V{OUT})，以减少 PCB 传导损耗和热应力。
• 在 (V{IN})、GND 和 (V{OUT}) 引脚附近放置高频陶瓷输入和输出电容，以减少高频噪声。
• 在器件下方设置专用的电源接地层。
• 使用多个过孔进行顶层与其他电源层之间的互连，以减少过孔传导损耗和模块热应力。
• 避免在焊盘上直接放置过孔，除非过孔被覆盖或镀覆。
• 为连接到信号引脚的组件使用单独的 SGND 接地铜箔区域，并将 SGND 连接到器件下方的 GND。
• 在信号引脚上引出测试点，以便进行监测。

八、总结

LTM4691 是一款性能出色的双路 2A 降压 DC/DC μModule 稳压器，具有小巧的封装、高效的性能和丰富的保护功能。在实际设计中，通过合理选择外部组件、优化 PCB 布局和考虑热管理，可以充分发挥 LTM4691 的优势，为各种应用提供稳定可靠的电源解决方案。

你在使用 LTM4691 或其他类似电源模块时是否遇到过什么问题？欢迎在评论区分享你的经验和见解。