LTM8022：小身材大能量的DC/DC电源模块

在电子设计领域，电源模块的性能和可靠性至关重要。今天，我们就来深入了解一下Linear Technology公司的LTM8022，一款功能强大的1A、36V DC/DC μModule。

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一、LTM8022简介

LTM8022是一款完整的1A、DC/DC降压电源，它将开关控制器、功率开关、电感器和所有支持组件都集成在一个封装内。其输入电压范围为3.6V至36V，输出电压范围为0.8V至10V，开关频率范围为200kHz至2.4MHz，每个参数都可以通过单个电阻进行设置。只需要添加输入和输出滤波电容，就能完成设计。

1.1 主要特性

• 宽输入电压范围：3.6V至36V的输入电压范围，使其能够适应多种电源环境。
• 灵活的输出电压：0.8V至10V的输出电压，满足不同负载的需求。
• 高效的电流输出：能够提供1A的输出电流，满足大多数应用的功率要求。
• 可调节开关频率：200kHz至2.4MHz的可调节开关频率，方便工程师根据实际需求进行优化。
• 电流模式控制：采用电流模式控制，提高了电源的稳定性和响应速度。
• RoHS合规封装：采用带有金焊盘的RoHS合规封装，确保环保和可靠性。
• 可编程软启动：支持可编程软启动，减少启动时的电流冲击。
• 小巧轻薄：采用11.25mm × 9mm × 2.82mm的低剖面表面贴装LGA封装，节省电路板空间。

1.2 应用领域

• 汽车电池调节：在汽车电子系统中，为各种设备提供稳定的电源。
• 便携式产品电源：适用于手机、平板电脑等便携式设备。
• 分布式电源调节：在分布式电源系统中，实现电源的高效分配。
• 工业电源：为工业设备提供可靠的电源支持。
• 墙式变压器调节：用于墙式变压器的电源调节。

二、电气特性

2.1 输入输出参数

• 输入电压：3.6V至36V的输入电压范围，确保了电源的通用性。
• 输出电压：在不同负载条件下，输出电压能够稳定在0.8V至10V之间。
• 输出电流：最大连续输出电流为1A，满足大多数负载的需求。

2.2 静态电流

在不同的工作模式下，LTM8022的静态电流表现良好。例如，在非开关状态下，VIN静态电流在不同温度等级下分别为0.1μA至85μA不等，BIAS静态电流为0.03μA至5μA不等。

2.3 电压调节

• 线性调节：在3.6V至36V的输入电压范围内，输出电压的线性调节率小于0.1%。
• 负载调节：在0V至1A的负载电流变化范围内，输出电压的负载调节率小于0.4%。

2.4 输出纹波

在特定的工作条件下，输出纹波（RMS）小于10mV，确保了电源的稳定性。

2.5 开关频率

通过连接不同阻值的电阻到RT引脚，可以设置开关频率。例如，当RT = 113kΩ时，开关频率为325kHz。

三、引脚功能

3.1 VIN（Bank 1）

该引脚为LTM8022的内部稳压器和内部功率开关提供电流，必须使用至少2.2μF的外部低ESR电容进行本地旁路。

3.2 Vout（Bank 2）

功率输出引脚，在这些引脚和GND引脚之间连接输出滤波电容和输出负载。

3.3 AUX（Pin F5）

为BIAS提供低电流电压源，在许多设计中，BIAS引脚直接连接到VOUT。该引脚内部连接到VOUT，与BIAS引脚相邻，方便印刷电路板布线。

3.4 BIAS（Pin G5）

连接到内部电源总线，需要连接到大于2.4V的电源。如果输出电压大于2.4V，则将该引脚连接到输出；如果输出电压较小，则将其连接到2.4V至16V之间的电压源。同时，要确保BIAS + VIN小于56V。

3.5 RUN/SS（Pin H5）

将该引脚接地可关闭LTM8022，连接到2.5V或更高电压可正常工作。如果不使用关机功能，则将该引脚连接到VIN引脚。此外，该引脚还提供软启动功能。

3.6 GND（Bank 3）

将这些GND引脚连接到LTM8022下方的本地接地平面和电路组件，反馈分压器（RADJ）也连接到该引脚。

3.7 RT（Pin G7）

通过将电阻从该引脚连接到地，可以对LTM8022的开关频率进行编程。数据手册的应用信息部分提供了根据所需开关频率确定电阻值的表格。

3.8 SHARE（Pin F7）

在并联输出时，将该引脚连接到另一个LTM8022的SHARE引脚；否则，让该引脚浮空。

3.9 SYNC（Pin G6）

外部时钟同步输入。将该引脚接地可在低输出负载时实现低纹波Burst Mode®操作，连接到高于0.7V的稳定电压源可禁用Burst Mode操作。不要让该引脚浮空，可连接到时钟源进行同步。

3.10 PG（Pin H6）

内部比较器的开集输出。在ADJ引脚达到最终调节电压的10%之前，PG保持低电平。当VIN高于3.6V且RUN/SS为高电平时，PG输出有效。如果不使用该功能，让该引脚浮空。

3.11 ADJ（Pin H7）

LTM8022将其ADJ引脚调节到0.79V。将调节电阻从该引脚连接到地，RADJ的值由公式RADJ = 394.21 / (VOUT - 0.79)计算得出，其中RADJ的单位为kΩ。

四、工作原理

4.1 基本架构

LTM8022是一个独立的非隔离降压开关DC/DC电源，包含电流模式控制器、功率开关元件、功率电感器、功率肖特基二极管以及适量的输入和输出电容。

4.2 开关频率设置

通过将适当阻值的电阻从RT引脚连接到GND，可以设置开关频率。

4.3 偏置电源

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BIAS引脚连接到高于2.4V的外部电压，则偏置电源将从外部源（通常是调节后的输出电压）获取，从而提高效率。

4.4 轻载效率优化

在轻载情况下，LTM8022会自动切换到Burst Mode操作，在脉冲之间，所有与控制输出开关相关的电路都会关闭，将输入电源电流降低到典型应用中的50μA。当ADJ引脚的电压较低时，振荡器会降低LTM8022的工作频率，这种频率折返有助于在启动和过载时控制输出电流。

4.5 电源良好比较器

LTM8022包含一个电源良好比较器，当ADJ引脚达到其调节值的92%时触发。PG输出是一个开集晶体管，当输出处于调节状态时关闭，允许外部电阻将PG引脚拉高。当LTM8022启用且VIN高于3.6V时，电源良好信号有效。

五、应用设计要点

5.1 组件选择

在设计过程中，首先要根据所需的输入电压范围和输出电压，在表1中找到相应的行，然后应用推荐的CIN、Cout、RADJ和RT值，并按照指示连接BIAS。如果所需的输出电压未在表1中列出，可以通过公式RADJ = 394.21 / (VOUT - 0.79)计算RADJ的值。

5.2 电容选择

表1中的CIN和Cout电容值是推荐的最小值，不建议使用低于这些值的电容，否则可能导致不良操作。使用较大的值通常是可以接受的，并且在必要时可以提高动态响应。陶瓷电容具有体积小、坚固和低ESR的优点，但并非所有陶瓷电容都适用，X5R和X7R类型在温度和电压变化时稳定可靠，而Y5V和Z5U类型的电容温度和电压系数较大，可能导致输出电压纹波过高。此外，陶瓷电容具有压电特性，在Burst Mode操作时可能会产生可听噪声，如果无法接受这种噪声，可以在输出端使用高性能电解电容，输入端可以使用2.2μF陶瓷电容和低成本电解电容的并联组合。

5.3 频率选择

LTM8022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，范围为200kHz至2.4MHz。表2提供了RT电阻值和相应频率的列表。在选择频率时，建议使用表1中针对输入和输出操作条件给出的最佳RT值。如果选择不当的频率，可能会导致在某些操作或故障条件下出现不良操作，例如频率过高可能会降低效率、产生过多热量甚至损坏LTM8022，频率过低可能会导致输出纹波过大或输出电容过大。

5.4 Burst Mode操作

为了提高轻载效率，LTM8022会自动切换到Burst Mode操作，通过将SYNC引脚接地来启用该模式，将SYNC引脚连接到高于0.7V的稳定电压源可禁用该模式。在Burst Mode操作期间，LTM8022会向输出电容提供单周期电流脉冲，然后进入睡眠期，此时输出功率由输出电容提供给负载，同时VIN和BIAS的静态电流分别降低到典型的20μA和50μA。

5.5 BIAS引脚考虑

BIAS引脚用于为内部功率开关级提供驱动电源并操作内部电路，必须由至少2.4V的电源供电。如果输出电压编程为2.4V或更高，则将BIAS引脚连接到AUX；如果VOUT小于2.4V，则将BIAS引脚连接到VIN或其他电压源。同时，要确保BIAS引脚的最大电压小于16V，且VIN + BIAS小于56V。如果BIAS电源来自远程或嘈杂的电压源，可能需要在LTM8022附近添加去耦电容。

5.6 最小输入电压

LTM8022是降压转换器，需要一定的输入电压余量来保持输出稳定。在大多数满载应用中，输入电压至少要比所需输出电压高1.5V。此外，启动所需的输入电压取决于RUN/SS引脚的连接方式。

5.7 负载共享

可以将两个或更多的LTM8022并联以产生更高的电流，将所有并联的LTM8022的VIN、VOUT和SHARE引脚连接在一起，并根据需要同步LTM8022以避免拍频。为了确保并联模块一起启动，可以将RUN/SS引脚连接在一起，如果不连接RUN/SS引脚，则要确保每个模块使用相同值的软启动电容。

5.8 软启动

可以使用RUN/SS引脚对LTM8022进行软启动，通过在该引脚连接外部RC滤波器来创建电压斜坡，从而减少启动时的最大输入电流。选择合适的RC时间常数可以将启动峰值电流降低到调节输出所需的电流，且不会产生过冲。

5.9 同步

可以通过向SYNC引脚施加250kHz至2MHz的外部时钟信号来同步LTM8022的内部振荡器。连接在RT引脚和地之间的电阻应选择为使LTM8022的自由运行频率比预期的同步频率低20%。当LTM8022同步到外部时钟源时，Burst Mode操作将被禁用，该部件会根据需要跳过功率开关周期以保持调节。

5.10 短路输入保护

在某些系统中，当LTM8022的输入缺失时，输出可能会保持高电平，例如在电池充电应用或电池备份系统中。如果VIN引脚浮空且RUN/SS引脚保持高电平，则LTM8022的内部电路会通过其内部功率开关吸取静态电流。如果将RUN/SS引脚接地，内部开关电流将基本降为零。但如果在输出保持高电平时将VIN引脚接地，LTM8022内部的寄生二极管可能会从输出通过VIN引脚吸取大电流。可以使用一个输入二极管来防止短路输入使连接到输出的备用电池放电，并保护电路免受反向输入的影响。

5.11 PCB布局

虽然LTM8022的高度集成化减轻了PCB布局的难度，但作为一个开关电源，仍需要注意布局以最小化EMI并确保正常运行。以下是一些布局建议：

• 将RADJ和RT电阻尽可能靠近各自的引脚放置。
• 将CIN电容尽可能靠近LTM8022的VIN和GND连接。
• 将Cout电容尽可能靠近LTM8022的VOUT和GND连接。
• 放置CIN和COUT电容，使它们的接地电流直接相邻或位于LTM8022下方。
• 将所有GND连接连接到顶层尽可能大的铜浇铸或平面区域，避免断开外部组件和LTM8022之间的接地连接。
• 使用过孔将GND铜区域连接到电路板的内部接地平面，并广泛分布这些GND过孔，以提供良好的接地连接和热路径到印刷电路板的内部平面。

5.12 热插拔安全

陶瓷电容因其小尺寸、坚固性和低阻抗而成为LTM8022输入旁路电容的理想选择，但如果将LTM8022插入带电电源，这些电容可能会导致问题。低损耗陶瓷电容与杂散电感串联形成欠阻尼谐振电路，可能会使LTM8022的VIN引脚电压升至标称输入电压的两倍，从而超过其额定值并损坏部件。如果输入电源控制不佳或用户将LTM8022插入带电电源，应设计输入网络以防止过冲。可以通过添加带有串联电阻的另一个电容来阻尼谐振电路，也可以在输入串联一个0.7Ω的电阻来消除电压过冲。

5.13 热考虑

如果LTM8022需要在高环境温度下运行或提供大量功率，可能需要对其输出电流进行降额。降额量取决于输入电压、输出功率和环境温度。可以参考典型性能特性部分的降额曲线，但要注意不同尺寸和层数的电路板可能会表现出不同的热行为，因此需要在预期的系统线路、负载和环境条件下验证其正常运行。同时，LTM8022的结到空气和结到电路板的热阻可以用于估计其内部温度，但实际热阻取决于电路板的设计。在布局电路时，要确保LTM8022有良好的散热。此外，在高环境温度下，内部肖特基二极管会有显著的泄漏电流，从而增加LTM8022的静态电流。

六、典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路，包括0.82V、1.8V、2.5V、3.3V的降压转换器，以及-5V的正转负转换器，还有两个LTM8022并联的应用电路。这些电路展示了LTM8022在不同输出电压和负载条件下的应用，为工程师提供了参考。

七、总结

LTM8022是一款功能强大、性能稳定的DC/DC电源模块，具有宽输入电压范围、灵活的输出电压、高效的电流输出等优点。在应用设计中，需要注意组件选择、电容选择、频率选择、Burst Mode操作、BIAS引脚考虑、最小输入电压、负载共享、软启动、同步、短路输入保护、PCB布局、热插拔安全和热考虑等要点，以确保其正常运行和性能优化。希望本文能为电子工程师在使用LTM8022进行设计时提供帮助。你在使用LTM8022的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。