LT3972：高性能降压开关稳压器的设计与应用

在电子设计领域，降压开关稳压器是一种常见且关键的组件，它能将较高的输入电压转换为较低的稳定输出电压，满足各种电子设备的供电需求。今天，我们要深入探讨的是LINEAR TECHNOLOGY公司的LT3972降压开关稳压器，它在性能和功能上都有着出色的表现。

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一、LT3972的特性亮点

1. 宽输入范围

LT3972的输入电压范围为3.6V至33V，并且具备过压锁定保护功能，能够承受高达62V的瞬态电压，这使得它在各种复杂的电源环境中都能稳定工作。例如，在汽车电池供电系统中，电压波动较大，LT3972的宽输入范围和过压保护特性就显得尤为重要。

2. 高效低功耗

它的最大输出电流可达3.5A，能够满足大多数中小功率设备的供电需求。同时，在低纹波Burst Mode® 操作模式下，静态电流仅为75μA（在12V输入至3.3V输出的情况下），关机电流小于1μA，大大降低了功耗，提高了能源效率。

3. 可调开关频率

开关频率可在200kHz至2.4MHz之间进行调整，这为设计师提供了更大的灵活性。较高的开关频率可以使用更小的电感和电容，从而减小电路板的尺寸；而较低的开关频率则可以提高效率，降低开关损耗。

4. 其他特性

集成了升压二极管，可实现同步操作（同步范围为250kHz至2MHz），具备电源良好标志（Power Good Flag），采用饱和开关设计（导通电阻为95mΩ），输出电压可在0.79V至30V之间调节，还具备热保护和软启动功能。此外，它采用了小型的10引脚热增强型MSOP和(3mm × 3mm) DFN封装，节省了电路板空间。

二、工作原理

LT3972是一款恒定频率、电流模式的降压稳压器。其工作过程如下：

1. 开关控制：由RT电阻设定振荡器的频率，该频率使RS触发器置位，从而开启内部功率开关。
2. 电流监测：放大器和比较器监测VIN和SW引脚之间的电流，当电流达到由VC引脚电压确定的水平时，开关关闭。
3. 误差放大：误差放大器通过外部电阻分压器测量输出电压，并对VC引脚进行伺服控制。如果误差放大器的输出增加，输出电流也会增加；反之则减少。
4. 电流限制：VC引脚的有源钳位提供电流限制功能，同时VC引脚还被钳位到RUN/SS引脚的电压。通过在RUN/SS引脚使用外部电阻和电容产生电压斜坡，实现软启动功能。
5. 电源管理：内部稳压器为控制电路提供电源，偏置稳压器通常从VIN引脚获取电源，但如果BD引脚连接到高于3V的外部电压，则会从外部源获取偏置电源，从而提高效率。
6. 模式切换：在轻负载情况下，LT3972会自动切换到Burst Mode操作，此时控制输出开关的所有电路都会关闭，将输入电源电流降低到75μA。此外，当FB引脚电压较低时，振荡器会降低工作频率，这种频率折返有助于在启动和过载时控制输出电流。
7. 电源良好监测：内部的电源良好比较器在FB引脚达到其调节值的91%时触发，PG输出是一个集电极开路晶体管，当输出处于调节状态时，该晶体管截止，允许外部电阻将PG引脚拉高。

三、应用设计要点

1. FB电阻网络

输出电压通过输出和FB引脚之间的电阻分压器进行编程，计算公式为： [R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{0.79 V}-1right)] 选择1%精度的电阻可以确保输出电压的准确性。

2. 开关频率设置

LT3972采用恒定频率PWM架构，可通过将电阻从RT引脚连接到地来编程开关频率。不同的开关频率对应不同的RT电阻值，具体关系如下表所示：	开关频率 (MHz)	RT值 (kΩ)
0.2	215
0.3	140
0.4	100
0.5	78.7
0.6	63.4
0.7	53.6
0.8	45.3
0.9	39.2
1.0	34
1.2	26.7
1.4	22.1
1.6	18.2
1.8	15
2.0	12.7
2.2	10.7
2.4	9.09

选择开关频率时需要权衡效率、组件尺寸、最小压差和最大输入电压等因素。较高的开关频率可以使用较小的电感和电容，但会降低效率、减小最大输入电压并增加压差；较低的开关频率则相反。

3. 输入电压范围

LT3972的最大输入电压取决于开关频率、VIN和BOOST引脚的绝对最大额定值以及操作模式。它可以在高达33V的输入电压下工作，并能承受高达62V的电压。当VIN高于35V（典型值，最小值为33V，最大值为37V）时，开关将关闭，输出将不再处于调节状态。 在输出启动、短路或其他过载条件下，应根据以下公式选择开关频率： [V{I N(M A X)}=frac{V{OUT }+V{D}}{f{S W} t{O N(M I N)}}-V{D}+V{S W}] 其中，(V{IN(MAX) }) 是最大工作输入电压，(V{OUT }) 是输出电压，(V{D}) 是续流二极管压降（约0.5V），(V{SW}) 是内部开关压降（最大负载时约0.5V），(f{SW }) 是开关频率（由RT设定），(t{ON(MIN)}) 是最小开关导通时间（约100ns）。 在输出处于调节状态且无短路、启动或过载事件时，无论开关频率如何，高达33V的输入电压瞬变都是可以接受的。此时，LT3972可能会进入脉冲跳过操作，以保持输出调节，但输出电压纹波和电感电流纹波会比正常操作时更高。 最小输入电压由LT3972的最小工作电压（约3.6V）或其最大占空比决定，计算公式为： [V{I N(M I N)}=frac{V{OUT }+V{D}}{1-f{S W} t{O F F(M I N)}}-V{D}+V{S W}] 其中，(V{IN(MIN) }) 是最小输入电压，(t{OFF(MIN)}) 是最小开关关断时间（150ns）。较高的开关频率会增加最小输入电压，如果需要较低的压差，应使用较低的开关频率。

4. 电感选择

对于给定的输入和输出电压，电感值和开关频率将决定纹波电流。纹波电流 (Delta I{L}) 随着 (V{IN }) 或 (V{OUT}) 的增加而增加，随着电感值和开关频率的增加而减小。选择纹波电流的合理起点是： [Delta I{L}=0.4left(I{OUT(MAX) }right)] 其中，(I{OUT(MAX)}) 是最大输出负载电流。为了保证足够的输出电流，峰值电感电流必须低于LT3972的开关电流限制（(I{LIM})），峰值电感电流的计算公式为： [I{L(PEAK) }=I{OUT(MAX) }+Delta I{L} / 2] LT3972的开关电流限制在低占空比时为5.5A，在占空比为0.8时线性下降到4.5A。最大输出电流是电感纹波电流的函数： [I{OUT(MAX)}=I{LIM}-Delta I{L} / 2] 为了保证纹波电流不超过指定的最大值，应根据以下公式选择电感值： [L=left(frac{V{OUT }+V{D}}{f{SW} Delta I{L}}right)left(1-frac{V{OUT }+V{D}}{V{IN(MAX)}}right)] 其中，(V{D}) 是续流二极管的压降（约0.4V），(V{IN(MAX) }) 是最大输入电压，(V{OUT}) 是输出电压，(f{SW }) 是开关频率（由RT设定），L是电感值。 电感的RMS电流额定值必须大于最大负载电流，其饱和电流应比最大负载电流高约30%。在故障条件（启动或短路）和高输入电压（>30V）下，为了保证稳健运行，饱和电流应高于5A。为了保持高效率，串联电阻（DCR）应小于0.1Ω，并且磁芯材料应适用于高频应用。

5. 输入电容

使用X7R或X5R类型的陶瓷电容对LT3972电路的输入进行旁路。Y5V类型的电容在温度和施加电压方面性能较差，不应使用。10μF至22μF的陶瓷电容足以对LT3972进行旁路，并能轻松处理纹波电流。当使用较低的开关频率时，需要更大的输入电容。如果输入电源具有高阻抗，或者由于长电线或电缆存在显著的电感，则可能需要额外的大容量电容，可以使用性能较低的电解电容来提供。 降压稳压器从输入电源以具有非常快速上升和下降时间的脉冲形式汲取电流，输入电容用于减少LT3972处的电压纹波，并将这种高频开关电流限制在一个紧密的局部回路中，从而最小化EMI。10μF的电容能够完成这项任务，但必须将其放置在靠近LT3972和续流二极管的位置。此外，陶瓷输入电容与走线或电缆电感结合会形成高品质（欠阻尼）的谐振电路，如果LT3972电路插入带电电源，输入电压可能会振荡到其标称值的两倍，可能超过LT3972的电压额定值，可参考相关应用笔记来避免这种情况。 对于对空间敏感的应用，可以使用4.7μF的陶瓷电容对LT3972输入进行局部旁路，但较低的输入电容会导致输入电流纹波和输入电压纹波增加，并可能将噪声耦合到其他电路中。此外，增加的电压纹波会将LT3972的最小工作电压提高到约3.7V。

6. 输出电容和输出纹波

输出电容有两个重要功能：一是与电感一起过滤LT3972产生的方波，以产生直流输出，在这个过程中，它决定了输出纹波，因此在开关频率下具有低阻抗非常重要；二是存储能量以满足瞬态负载并稳定LT3972的控制回路。陶瓷电容具有非常低的等效串联电阻（ESR），能够提供最佳的纹波性能。推荐的输出电容值计算公式为： [C{OUT }=frac{100}{ V{OUT } f{SW }}] 其中，(f{SW }) 以MHz为单位，(C_{OUT }) 是推荐的输出电容值（单位为μF）。应使用X5R或X7R类型的电容，这样可以提供低输出纹波和良好的瞬态响应。如果同时调整补偿网络以保持环路带宽，使用更高值的电容可以改善瞬态性能。为了节省空间和成本，可以使用较低值的输出电容，但瞬态性能会受到影响。 在选择电容时，应仔细查看数据手册，了解在工作条件（施加电压和温度）下的实际电容值。可能需要使用物理尺寸更大或电压额定值更高的电容。高性能钽电容或电解电容也可用于输出电容，低ESR很重要，应选择适用于开关稳压器的电容，其ESR应由供应商指定，且应小于0.05Ω。

7. 续流二极管

续流二极管仅在开关关断期间导通电流，正常操作时的平均正向电流可以通过以下公式计算： [D(A V G)=I{OUT }left(V{I N}-V{OUT }right) / V{IN }] 其中，(I{OUT}) 是输出负载电流。考虑使用额定电流大于正常操作所需电流的二极管的唯一原因是在输出短路的最坏情况下。此时，二极管电流将增加到典型的峰值开关电流。峰值反向电压等于稳压器的输入电压，应使用反向电压额定值大于输入电压的肖特基二极管。LT3972中的过压保护功能会在 (V{IN }>35V) 时关闭开关，因此即使 (V_{IN }) 范围高达62V，也可以使用40V额定的肖特基二极管。

8. 频率补偿

LT3972采用电流模式控制来调节输出，这简化了环路补偿。特别是，LT3972不需要输出电容的ESR来保证稳定性，因此可以自由使用陶瓷电容来实现低输出纹波和小电路尺寸。频率补偿由连接到 (V{C}) 引脚的组件提供，通常使用一个电容（(C{C})）和一个电阻（(R{C})）串联到地，此外，可能还会有一个较小值的电容并联。这个电容（(C{F})）不是环路补偿的一部分，而是用于过滤开关频率处的噪声，仅在使用相位超前电容或输出电容具有高ESR时才需要。 环路补偿决定了稳定性和瞬态性能，设计补偿网络有点复杂，最佳值取决于应用，特别是输出电容的类型。一种实用的方法是从本数据手册中选择一个与您的应用相似的电路，然后调整补偿网络以优化性能。应在所有操作条件下（包括负载电流、输入电压和温度）检查稳定性。

9. 低纹波Burst Mode操作和脉冲跳过模式

LT3972能够在低纹波Burst Mode操作或脉冲跳过模式下运行，通过SYNC引脚进行选择。 在轻负载时，为了提高效率，LT3972可以在低纹波Burst Mode操作下运行，这种模式在保持输出电容充电到适当电压的同时，将输入静态电流降至最低。在Burst Mode操作期间，LT3972向输出电容提供单周期的电流脉冲，然后进入睡眠期，在此期间输出功率由输出电容提供给负载。由于LT3972以单个低电流脉冲的形式向输出提供功率，因此在典型应用中，输出纹波可保持在15mV以下。此外，在睡眠期间，(V_{IN}) 和BD的静态电流分别降至典型的30μA和90μA。随着负载电流向空载条件减小，LT3972在睡眠模式下的运行时间百分比增加，平均输入电流大大降低，即使在非常低的负载下也能实现高效率。 如果不需要低静态电流，LT3972可以在脉冲跳过模式下运行。这种模式的优点是，与Burst Mode操作相比，LT3972在较低的输出负载电流下就会进入全频率标准PWM操作。对于前页的应用电路，在输出负载高于约60mA时将以全频率开关。通过向SYNC引脚施加时钟信号或高于0.9V的直流电压来选择脉冲跳过模式。

10. BOOST和BIAS引脚考虑

电容C3和内部升压肖特基二极管用于生成高于输入电压的升压电压。在大多数情况下，0.22μF的电容效果良好。BOOST引脚必须比SW引脚高2.3V以上才能实现最佳效率。 对于3V及以上的输出，标准电路是最佳选择；对于2.8V至3V之间的输出，应使用1μF的升压电容；对于2.5V的输出，由于使用内部升压二极管时仅能勉强支持升压驱动级，因此需要使用一个良好的外部肖特基二极管（如ON Semi MBR0540）和1μF的升压电容；对于较低的输出电压，升压二极管可以连接到输入或另一个大于2.8V的电源。将BD连接到VIN会将最大输入电压降低到28V。图5a中的电路更高效，因为BOOST引脚电流和BD引脚静态电流来自较低电压源。同时，必须确保BOOST和BD引脚的最大电压额定值不被超过。 LT3972应用的最小工作电压受最小输入电压（3.6V）和最大占空比的限制。对于正确的启动，最小输入电压还受升压电路的限制。如果输入电压缓慢上升，或者在输出已经处于调节状态时通过RUN/SS引脚开启LT3972，则升压电容可能无法完全充电。由于升压电容通过电感中存储的能量充电，因此电路需要一定的最小负载电流才能使升压电路正常运行。这个最小负载取决于输入和输出电压以及升压电路的布置，一旦电路启动，最小负载通常会降至零。

11. 软启动

RUN/SS引脚可用于对LT39