LT1938：高效降压开关稳压器的全面解析

在电子设计领域，降压开关稳压器是一种常见且关键的器件，它能将较高的输入电压转换为较低的稳定输出电压，广泛应用于各种电子设备中。今天，我们就来深入了解一下Linear Technology公司的LT1938降压开关稳压器。

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1. 产品概述

LT1938是一款可调节频率（300kHz至2.8MHz）的单片降压开关稳压器，能够接受高达25V的输入电压。它集成了一个高效的0.18Ω开关、一个升压肖特基二极管以及必要的振荡器、控制和逻辑电路。采用电流模式拓扑，具有快速瞬态响应和良好的环路稳定性。其高工作频率允许使用小尺寸、低成本的电感器和陶瓷电容器，从而实现低输出纹波，同时将整体解决方案的尺寸降至最小。

1.1 主要特性

• 宽输入电压范围：3.6V至25V，能适应多种电源环境。
• 最大输出电流：2.2A，可满足大多数中小功率负载的需求。
• 可调开关频率：300kHz至2.8MHz，设计人员可以根据具体应用需求进行灵活调整。
• 低关断电流：$I_{0}<1 mu A$，有助于降低功耗，延长电池续航时间。
• 集成升压二极管：简化了电路设计，减少了外部元件数量。
• 电源良好标志：当输出电压达到编程输出电压的90%时发出信号，方便监控输出状态。
• 饱和开关设计：0.18Ω导通电阻，降低了开关损耗，提高了效率。
• 1.265V反馈参考电压：为输出电压的精确调节提供了基准。
• 输出电压范围：1.265V至20V，可满足不同的应用需求。
• 软启动功能：通过在RUN/SS引脚使用外部电阻和电容提供受控的输出电压斜坡，减少启动时的冲击电流。
• 小型封装：10引脚热增强型（3mm × 3mm）DFN封装，节省了电路板空间。

1.2 应用领域

• 汽车电池调节：为汽车电子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压转换和调节。
• 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压调节。

2. 电气特性

2.1 绝对最大额定值

参数	数值
$V_{IN}$，RUN/SS电压	25V
BOOST引脚电压	25V
FB、RT、$V_{C}$电压	25V
BIAS、PG、BD电压	25V

2.2 工作结温范围

• LT1938E：–40°C至125°C
• LT1938I：–40°C至125°C

2.3 存储温度范围

–65°C至150°C

2.4 电气参数

在$T{A}=25^{circ} C$，$V{IN }=10 ~V$，$V{RUN/SS }=10 ~V$，$V{BOOST }=15 ~V$，$V_{BIAS }=3.3 ~V$的条件下，部分电气参数如下：	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
最小输入电压			3	3.6	V
静态电流（$V_{RUN/SS} = 0.2V$）			0.01	0.5	μA
静态电流（$V_{BIAS} = 3V$，不开关）		0.4	0.8	mA
静态电流（$V_{BIAS} = 0$，不开关）		1.2	2.0	mA
反馈电压		1.25	1.265	1.28	V
FB引脚偏置电流			30	100	nA
FB电压线性调整率	4V<$V_{IN}$<25V		0.002	0.02	%/V

3. 引脚功能

引脚名称	功能描述
BD（引脚1）	连接到升压肖特基二极管的阳极。
BOOST（引脚2）	为内部双极NPN功率开关提供高于输入电压的驱动电压。
SW（引脚3）	内部功率开关的输出，连接到电感器、续流二极管和升压电容器。
$V_{IN}$（引脚4）	为LT1938的内部稳压器和内部功率开关提供电流，必须进行本地旁路。
RUN/SS（引脚5）	用于将LT1938置于关断模式，接地时关断，接2.3V或更高电压时正常工作。还提供软启动功能。
PG（引脚6）	内部比较器的开集电极输出，当FB引脚电压在最终调节电压的10%以内时保持低电平。
BIAS（引脚7）	为LT1938的内部稳压器提供电流，连接到高于3V的最低可用电压源（通常为$V_{OUT}$）。
FB（引脚8）	LT1938将FB引脚调节到1.265V，连接反馈电阻分压器的抽头。
$V_{C}$（引脚9）	内部误差放大器的输出，该引脚的电压控制开关峰值电流，通过连接一个RC网络到地来补偿控制环路。
RT（引脚10）	振荡器电阻输入，连接一个电阻到地来设置开关频率。
暴露焊盘（引脚11）	接地，必须焊接到PCB上。

4. 工作原理

LT1938是一款恒定频率、电流模式降压稳压器。其工作过程如下：

• 开关控制：由RT设置频率的振荡器使能一个RS触发器，打开内部功率开关。放大器和比较器监控$V{IN}$和SW引脚之间的电流，当该电流达到由$V{C}$引脚电压确定的水平时，关闭开关。
• 输出调节：误差放大器通过连接到FB引脚的外部电阻分压器测量输出电压，并调节$V_{C}$引脚。如果误差放大器的输出增加，将向输出提供更多电流；如果减小，则提供更少电流。
• 电流限制：$V{C}$引脚上的有源钳位提供电流限制，同时$V{C}$引脚还被钳位到RUN/SS引脚的电压。
• 软启动：通过在RUN/SS引脚使用外部电阻和电容产生电压斜坡来实现软启动。
• 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$V_{IN}$引脚获取电源，但如果BIAS引脚连接到高于3V的外部电压源（通常为调节后的输出电压），则从外部源获取偏置电源，以提高效率。
• 开关驱动：开关驱动器可以从输入或BOOST引脚获取电源，外部电容器和二极管用于在BOOST引脚产生高于输入电源的电压，使驱动器能够充分饱和内部双极NPN功率开关，实现高效运行。
• 频率折返：当FB引脚电压较低时，振荡器降低LT1938的工作频率，有助于在启动和过载期间控制输出电流。
• 电源良好比较器：当FB引脚达到其调节值的90%时，电源良好比较器触发，PG输出是一个开集电极晶体管，当输出处于调节状态时关闭，允许外部电阻将PG引脚拉高。

5. 应用设计要点

5.1 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，可根据公式$R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{1.265}-1right)$选择1%的电阻。

5.2 设置开关频率

LT1938采用恒定频率PWM架构，可通过将一个电阻从RT引脚连接到地来编程开关频率，范围为300kHz至2.8MHz。不同开关频率对应的$R_{T}$值可参考相关表格。

5.3 工作频率权衡

选择工作频率需要在效率、元件尺寸、最小压差和最大输入电压之间进行权衡。高频操作的优点是可以使用较小的电感器和电容器值，但缺点是效率较低、最大输入电压较低和压差较高。可根据公式$f{S W(M A X)}=frac{V{D}+V{OUT }}{t{ON(MIN) }left(V{D}+V{IN }-V_{S W}right)}$计算给定应用的最高可接受开关频率。

5.4 输入电压范围

• 最大输入电压：取决于开关频率、$V{IN}$和BOOST引脚的绝对最大额定值以及工作模式。在启动或短路工作模式下，$V{IN}$必须低于25V和公式$V{I N(M A X)}=frac{V{OUT }+V{D}}{f{S W} t{O N(M I N)}}-V{D}+V_{S W}$计算结果。在调节状态且无短路或启动事件时，输入电压瞬变最高可达25V。
• 最小输入电压：由LT1938的最小工作电压（约3.6V）或其最大占空比决定，可根据公式$V{I N(M I N)}=frac{V{OUT }+V{D}}{1-f{S W} t{O F F(M I N)}}-V{D}+V_{S W}$计算。

5.5 电感器选择

• 纹波电流：对于给定的输入和输出电压，电感器值和开关频率将决定纹波电流。合理的纹波电流起始值为$Delta I{L}=0.4left(I{OUT(MAX) }right)$。
• 峰值电感电流：$I{L(P E A K)}=I{OUT(M A X)}+Delta I_{L} / 2$，确保峰值电感电流低于LT1938的开关电流限制。
• 电感值选择：根据公式$L=left(frac{V{OUT }+V{D}}{f Delta L{L}}right)left(1-frac{V{OUT }+V{D}}{V{IN(MAX)}}right)$选择电感值。
• 电感额定值：电感器的RMS电流额定值必须大于最大负载电流，饱和电流应约高30%，对于故障条件和高输入电压，饱和电流应高于3A。

5.6 输入电容器

使用X7R或X5R类型的陶瓷电容器对LT1938电路的输入进行旁路，4.7µF至10µF的陶瓷电容器通常足够。如果输入电源阻抗高或存在显著电感，可能需要额外的大容量电容。

5.7 输出电容器和输出纹波

输出电容器的主要功能是与电感器一起过滤LT1938产生的方波，产生直流输出，并存储能量以满足瞬态负载和稳定控制环路。推荐的输出电容值为$C{OUT }=frac{100}{V{OUT } f_{SW }}$，使用X5R或X7R类型的陶瓷电容器。

5.8 续流二极管

续流二极管仅在开关关断期间导通，平均正向电流可根据公式$I{D(AVG)}=I{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right) / V_{IN }$计算。选择反向电压额定值大于输入电压的二极管。

5.9 频率补偿

LT1938采用电流模式控制来调节输出，简化了环路补偿。频率补偿由连接到$V{C}$引脚的元件提供，通常使用一个串联到地的电容$C{C}$和电阻$R{C}$，可能还会有一个并联的较低值电容$C{F}$用于过滤开关频率的噪声。

5.10 BOOST和BIAS引脚考虑

• BOOST电压生成：使用电容C3和内部升压肖特基二极管生成高于输入电压的升压电压，大多数情况下0.22µF的电容效果良好。
• 不同输出电压的处理：对于不同的输出电压，需要采用不同的升压电路配置。
• 最小输入电压限制：启动时，最小输入电压还受升压电路限制，可能需要一定的最小负载电流来使升压电路正常运行。

5.11 软启动

通过在RUN/SS引脚添加外部RC滤波器来实现软启动，可减少启动期间的最大输入电流。

5.12 短路和反向输入保护

选择合适的电感器可使LT1938降压稳压器容忍短路输出。在某些情况下，需要采取措施防止反向输入和短路输入对电路造成损害。

5.13 PCB布局

为了确保正确运行和最小化EMI，在印刷电路板布局时需要注意以下几点：

• 使$V_{IN}$、SW引脚、续流二极管和输入电容器形成的环路尽可能小。
• 将电感器和输出电容器与其他相关元件放置在电路板的同一侧，并在该层进行连接。
• 在这些元件下方放置局部、连续的接地平面。
• 使SW和BOOST节点尽可能小。
• 保持FB和$V_{C}$节点小，以便接地走线屏蔽它们免受SW和BOOST节点的影响。
• 将封装底部的暴露焊盘焊接到接地，以作为散热器，并尽可能扩展接地平面，在LT1938下方和附近添加热过孔。

5.14 热插拔安全

陶瓷输入电容器与电源的杂散电感可能形成欠阻尼谐振电路，导致$V_{IN}$引脚电压超过LT1938的额定值。可通过在输入串联一个电阻和添加一个小电容来防止电压过冲。

5.15 高温考虑

为了保持LT1938凉爽，PCB必须提供散热功能。将封装底部的暴露焊盘焊接到接地平面，并通过热过孔连接到较大的铜层。随着环境温度接近125°C，需要降低最大负载电流。

6. 典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路，包括3.3V、5V、2.5V、12V、1.8V和1.265V等不同输出电压的降压转换器电路，具体电路参数和元件选择可参考文档中的详细信息。

7. 相关产品

文档还列出了一些相关的Linear Technology产品，如LT1933、LT3437、LT1936等，这些产品在输出电流、开关频率、输入电压范围等方面各有特点，设计人员可以根据具体需求进行选择。

总之，LT1938是一款功能强大、性能优良的降压开关稳压器，在电子设计中具有广泛的应用前景。通过合理的设计和布局，可以充分发挥其优势，为各种电子设备提供稳定、高效的电源解决方案。你在使用LT1938或其他类似稳压器时，是否遇到过一些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和问题。