LTC7138：高电压降压调节器的卓越之选

引言

在电子设计领域，电源管理始终是一个关键且富有挑战性的环节。对于需要应对高电压输入和多样化负载需求的应用，一款高效、可靠的降压调节器至关重要。今天，我们就来深入探讨凌力尔特（现属ADI）的LTC7138高电压降压调节器，看看它在实际应用中能为我们带来哪些惊喜。

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产品概述

LTC7138是一款高效的降压型DC/DC调节器，集成了内部功率开关。其典型直流电源电流仅为12μA，即便在无负载情况下也能维持稳定的输出电压。它能够提供高达400mA的负载电流，并且具备可编程的峰值电流限制功能，这一特性为优化效率、降低输出纹波以及减小元件尺寸提供了简单而有效的方法。

核心特性解析

1. 宽输入电压范围：支持4V至140V的宽输入电压范围，这使得LTC7138能够适应各种不同的电源环境，无论是电池供电的便携式设备，还是工业级的高压电源系统，它都能稳定工作。
2. 低静态电流：仅12µA的低静态电流，在轻负载或待机模式下能显著降低功耗，提高系统的整体效率和电池续航能力。
3. 可编程输出电流：输出电流可在100mA至400mA范围内调节，用户可以根据实际应用需求灵活设置，实现最佳的性能和效率平衡。
4. 无需补偿：这一特性简化了设计过程，减少了外部元件的使用，降低了设计成本和复杂度。
5. 宽输出电压范围：输出电压范围为0.8V至输入电压，能够满足多种不同的负载需求。

工作原理

突发模式（Burst Mode）控制

LTC7138采用突发模式控制，将低静态电流与高开关频率相结合。在轻负载时，它会以短“突发”周期切换内部功率MOSFET中的电感电流，随后进入睡眠周期。在睡眠周期中，功率开关关闭，负载电流由输出电容器提供，此时LTC7138仅消耗12µA的电源电流。这种工作模式大大降低了平均电源电流，显著提高了轻负载时的效率。

主控制回路

通过VPRG1和PRG2控制引脚，LTC7138可以将内部反馈电阻连接到VFB引脚，从而实现1.8V、3.3V或5V的固定输出，无需额外增加元件数量、输入电源电流或担心反馈比较器敏感输入端的噪声问题。在可调模式下，反馈比较器会监测VFB引脚的电压，并将其与内部800mV参考电压进行比较，根据比较结果控制功率开关的开关状态，实现输出电压的稳定调节。

启动与关断

当RUN引脚电压低于0.7V时，LTC7138进入关断模式，所有内部电路禁用，直流电源电流降至1.4µA；当RUN引脚电压超过1.21V时，主控制回路正常工作。RUN引脚比较器具有110mV的内部迟滞，确保了系统的稳定启动和关断。此外，内部1ms软启动功能可限制启动时输出电压的上升速率，防止输入电源出现过度压降。

峰值电感电流编程

峰值电流比较器通常将峰值电感电流限制在610mA。通过在ISET引脚与地之间连接一个电阻，可以调节峰值电感电流。ISET引脚输出的5µA电流通过电阻产生的电压会调整峰值电流比较器的阈值，谷值电流阈值通常为峰值电流的60%。在睡眠模式下，ISET引脚的输出电流降至1µA，以提高效率。

降压工作模式

当输入电源电压接近输出电源电压时，占空比会增加以维持输出电压的稳定。LTC7138中的P沟道MOSFET开关允许占空比达到100%，此时P沟道MOSFET持续导通，提供等于峰值电流的输出电流。

输入电压与过温保护

为了确保产品的安全性和可靠性，LTC7138具备输入电压和过温保护功能。当结温达到约180°C时，会进入热关断模式；当输入电压不在可编程的工作范围内时，会禁止开关操作。输入电源的欠压或过压事件会触发软启动复位，确保系统从输入电源瞬变中平稳恢复。

应用信息

外部元件选择

1. 最大输出电流：最大平均输出电流由峰值电流和谷值电流的跳闸阈值决定。通过调整ISET引脚的电阻，可以将峰值电流阈值降低到最低140mA，从而为低电流应用优化效率和元件选择。对于需要超过400mA输出电流的应用，可以使用FBO引脚将多个LTC7138并联连接。
2. 电感选择：对于LTC7138，较高的电感值可以降低开关频率，从而减少开关损耗，但会增加直流电阻并降低饱和电流。因此，在满足电路板面积和饱和电流要求的前提下，选择较大的电感值通常能获得最高效率。同时，要注意电感的最小开关导通时间限制，避免电感电流出现过度过冲。
3. 续流二极管选择：续流二极管在开关关断期间导通电流。为了实现满载时的高效率，应选择反向恢复时间短、正向压降小的续流二极管。肖特基二极管常用于此目的，但在睡眠模式下，其较高的泄漏电流可能会影响轻载效率。因此，在某些应用中，也可以考虑使用硅二极管。
4. 输入和输出电容选择：输入电容CIN用于过滤高端MOSFET源极的梯形电流，应选择较大的值以确保在磁化电感时不会导致输入电压大幅下降。输出电容COUT用于过滤电感的纹波电流，并在LTC7138处于睡眠状态时存储能量以满足负载电流需求。应根据输出电压纹波和电感能量存储要求选择合适的电容值。

输出电压编程

LTC7138具有三种固定输出电压模式（1.8V、3.3V、5V）和一种可调模式，可通过VPRG1和VPRG2引脚进行选择。固定输出模式使用内部反馈分压器，可提高效率、增强抗噪能力并降低输出电压纹波。在可调模式下，输出电压由外部电阻分压器根据公式 (V_{OUT }=0.8 V cdotleft(1+frac{R 1}{R 2}right)) 设定。

运行引脚和过压/欠压锁定

RUN引脚可控制LTC7138的低功耗关断模式。将RUN引脚拉低至0.7V以下，LTC7138进入低静态电流关断模式；当RUN引脚电压大于1.21V时，开关操作启用。此外，RUN和OVLO引脚可以通过一个电阻分压器配置为对VIN电源进行精确的欠压和过压锁定。

软启动

软启动通过将有效参考电压从0V逐渐升至0.8V来实现。通过在SS引脚与地之间连接一个电容，可以增加软启动的持续时间。内部5µA上拉电流会对该电容充电，电容值可根据公式 (C_{SS}= Soft - Start Time cdot frac{5 mu A}{0.8 V}) 计算。

优化输出电压纹波

在选择了满足负载电流和频率要求的峰值电流电阻和电感后，可以在R ISET上并联一个可选电容C ISET，以减少输出电压纹波对负载电流的依赖性。

大电流应用

对于需要超过400mA输出电流的应用，LTC7138提供了反馈比较器输出引脚（FBO），用于驱动额外的LTC7138。将主LTC7138的FBO引脚连接到一个或多个从LTC7138的VFB引脚，主器件可以控制从器件的突发周期，从而实现输出电流的叠加。

热考虑

在大多数应用中，由于LTC7138的高效率，其散热较少。但在高温环境、低电源电压和高占空比的情况下，如降压模式，散热可能会超过器件的最大结温。因此，需要进行热分析以确保器件的安全运行。

引脚间距/爬电距离考虑

LTC7138 MSE封装经过独特设计，满足高电压间距和爬电距离要求。引脚2、4、13和15被省略，以增加相邻高压焊盘（VIN、SW和RUN）之间的间距，满足大多数应用的需求。

典型应用案例

12V/400mA汽车电源

在汽车电子系统中，电源的稳定性和可靠性至关重要。LTC7138凭借其宽输入电压范围和高效的性能，能够很好地满足汽车电源的需求。在这个应用中，输入电压范围为4V至140V，输出电压为12V，输出电流为400mA。通过合理选择外部元件，如电感、电容和续流二极管，可以实现高效、稳定的电源转换。

4V至90V输入到12V/800mA输出调节器

对于需要更高输出电流的应用，可以将多个LTC7138并联使用。在这个例子中，使用两个LTC7138实现了4V至90V输入到12V/800mA的输出调节。通过主从配置，主LTC7138的FBO引脚控制从LTC7138的工作，确保了系统的稳定性和可靠性。

总结

LTC7138作为一款高性能的高电压降压调节器，凭借其宽输入电压范围、低静态电流、可编程输出电流等诸多特性，在工业控制、医疗设备、分布式电源系统等众多领域都有着广泛的应用前景。通过合理选择外部元件和优化设计参数，我们可以充分发挥LTC7138的优势，实现高效、稳定的电源管理解决方案。各位工程师在实际项目中遇到高电压降压的需求时，不妨考虑一下LTC7138，相信它会给你带来意想不到的效果。你在使用降压调节器的过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。