深入剖析LM5009：宽输入降压开关稳压器的卓越之选

在电子工程师的日常设计工作中，选择一款合适的开关稳压器至关重要。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的LM5009宽输入降压开关稳压器，看看它有哪些独特的特性和优势，能为我们的设计带来怎样的便利。

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一、LM5009的基本特性

（一）产品定位与替代选择

LM5009是一款功能强大的降压开关稳压器，不过TI也推出了更新的产品LM5163，它是一款100 - V、0.5 - A同步降压DC/DC转换器，具有减少BOM数量、缩小解决方案尺寸、降低静态工作电流等诸多优势。大家在设计时可以根据具体需求来选择。

（二）核心特性亮点

1. 集成与输出能力：集成了N沟道MOSFET，具备150 - mA的输出电流能力，能满足不少中小功率负载的需求。
2. 响应与频率：拥有超快速的瞬态响应，无需进行环路补偿。其输入电压（(V_{IN})）前馈功能可提供恒定的工作频率，开关频率能超过600 kHz。
3. 效率与精度：工作效率高，在 - 40°C至 + 125°C的温度范围内，具有2%精度的2.5 - V反馈电压。
4. 保护与控制：具备内部启动稳压器、智能电流限制保护、外部关机控制和热关断等功能，保障了芯片的稳定运行。
5. 封装形式：提供8引脚VSSOP和热增强型8引脚WSON封装，方便不同的PCB布局需求。

二、应用场景广泛

LM5009的应用场景十分丰富，主要包括以下几个方面：

1. 替代传统线性稳压器：可用于消除传统线性稳压器应用中的散热片，提高系统效率。
2. 交流整流系统：适用于12 - V、24 - V、36 - V和48 - V的交流整流系统，为这些系统提供稳定的电源转换。
3. 非隔离电源：可用于非隔离交流市电电荷耦合电源，满足特定的电源需求。
4. LED电流源：作为LED电流源使用，为LED提供稳定的驱动电流。

三、详细工作原理与特性

（一）整体概述

LM5009是一款低成本、高效的降压偏置电源转换器，基于一种导通时间与(V{IN})成反比的控制方案，无需环路补偿。电流限制采用与输出电压（(V{OUT})）成反比的强制关断时间，确保短路保护并实现最小折返。

（二）控制电路与工作模式

1. 控制原理：通过比较器和导通时间单稳态触发器来控制，将输出电压反馈（FB）与内部2.5 - V参考电压进行比较。当FB低于参考电压时，降压开关导通一段由线电压和编程电阻（(R_{ON})）决定的固定时间。
2. 工作模式
   • 轻载时的不连续导通模式：在轻负载电流时，LM5009工作在不连续导通模式，输出电感电流在导通时间从零上升到峰值，在关断时间结束前回到零。这种模式下，工作频率低于连续导通模式，且随负载电流变化。由于开关损耗随负载和频率降低而减少，因此在轻载时能保持较高的转换效率。不连续工作频率可通过公式(F=frac{V{OUT }^{2} × L × 1.28 × 10^{20}}{R{L} timesleft(R_{ON}right)^{2}})计算。
   • 重载时的连续导通模式：在重负载电流时，工作在连续导通模式，电感电流连续流动且不会降为零。此模式下，工作频率高于不连续模式，并且在负载和线电压变化时保持相对恒定。近似连续模式工作频率可通过公式(F=frac{V{OUT }}{1.25 × 10^{-10} × R{ON}})计算。

（三）关键特性详解

1. 高压启动稳压器：内部集成高压启动稳压器，输入引脚（(V{IN})）可直接连接高达95 - V的线电压，具有100 - V的瞬态能力，内部电流限制为9.5 mA。上电时，稳压器向(V{CC})引脚的外部电容提供电流，当(V{CC})引脚电压达到6.3 - V的欠压锁定阈值时，降压开关启用。在(V{IN})较高的应用中，可通过将辅助电压二极管连接到(V_{CC})引脚（8 - V至14 - V）来关闭内部稳压器，降低内部功耗。
2. 调节与过压比较器
   • 调节比较器：将FB引脚的反馈电压与内部2.5 - V参考电压进行比较，当FB低于2.5 - V时启动导通时间，降压开关导通，使FB电压上升。导通时间结束后，开关关断，直到FB再次低于2.5 - V。FB引脚的偏置电流在整个温度范围内小于5 nA。
   • 过压比较器：将FB电压与内部2.875 - V参考电压比较，若FB超过2.875 - V，立即终止导通时间脉冲。直到FB电压降至2.5 - V以下，开关才会再次导通。
3. 导通时间发生器：导通时间由(R{ON})电阻决定，与输入电压（(V{IN})）成反比，从而在(V{IN})变化范围内实现近乎恒定的频率。导通时间公式为(T{ON}=1.25 × 10^{-10} × R{ON} / V{IN})。为确保正确的电流限制操作，在最大(V{IN})时，(R{ON})应选择使最小导通时间大于250 ns。
4. 电流限制：具备智能电流限制关断定时器，当降压开关电流超过0.31 A时，立即终止当前周期并启动不可复位的关断定时器。关断时间由外部电阻（(R{CL})）和FB电压控制，当(FB = 0 V)时，关断时间预设为35 µs，确保在最大输入电压95 - V下的安全短路操作。在非短路过载情况下，关断时间小于35 µs，可减少折返、恢复时间和启动时间。关断时间计算公式为(T{OFF }=frac{10^{-5}}{0.285+frac{V{FB}}{left(6.35 × 10^{-6} × R{CL}right)}})。同时，电流限制检测电路在每个导通时间的前50 ns至70 ns被屏蔽，以防止因开关导通时的电流浪涌而误触发。
5. N沟道降压开关和驱动器：集成N沟道降压开关和相关的浮动高压栅极驱动器，与外部自举电容和内部高压二极管配合工作。在导通时间，连接在BST引脚和SW引脚之间的0.022 - µF陶瓷电容为驱动器提供电压。在每个关断时间，SW引脚约为 - 1 V，自举电容通过内部二极管从(V_{CC})充电。外部续流二极管（D1）在内部降压开关关断后承载电感电流，应选用超快或肖特基类型以减少导通损耗和电流过冲。
6. 热保护：正常工作时，应确保LM5009的结温不超过125°C。内部热关断电路在结温过高（通常为165°C）时启动，将控制器强制进入低功耗复位状态，禁用降压开关，防止因过热导致的灾难性故障。当结温降至140°C（典型滞后25°C）以下时，降压开关重新启用，恢复正常工作。

四、典型应用设计

（一）设计要求

以一个典型的降压应用电路为例，其设计参数如下：

• 输入电压范围：9.5 - V至95 - V
• 输出电压：10 - V
• 负载电流范围：50 - mA至200 - mA
• 标称开关频率：330 - kHz

（二）详细设计步骤

1. 输出电阻分压器选择：根据公式(V{OUT}=V{FB} times(R 1 + R 2) / R 2)（(V_{FB}=2.5 V)），可得(R1)与(R2)的比值为3:1。选择标准值3.01 kΩ（(R1)）和1.00 kΩ（(R2)），这样在主负载断开时能提供少量输出负载（2.5 mA），使电路保持调节状态，直到主负载重新连接。
2. 频率选择：除非应用有特定频率要求，频率选择通常需要权衡，因为它会影响电感（(L1)）和电容（(C2)）的尺寸以及开关损耗。基于最小导通时间250 ns，可计算出最大允许频率(F{MAX}=V{OUT } /left( V{INMAX } × 250 nsright))，在此例中(F{MAX}=444 kHz)。根据公式(F=frac{V{OUT }}{1.25 × 10^{-10} × R{ON}})计算出(R_{ON}=180 kΩ)，考虑到公式中的公差，选用标准值237 - kΩ电阻，得到标称频率337 - kHz。
3. 电感选择：电感主要影响输出电流纹波幅度，其值的选择需考虑最小和最大负载电流。
   • 最小负载电流：为在最小负载电流（(I {0}=100 mA)）时保持连续导通，纹波幅度（(IOR)）必须小于200 mA峰 - 峰值。使用公式(L 1=frac{V{OUT 1} timesleft(V{IN }-V{OUT 1}right)}{I{OR } × F{S} × V{IN}})计算，在(V{IN}=90 V)时，(L1)（min）计算为132 µH，选择下一个较大的标准值150 µH。此时，在(V{IN}=90 V)时(IOR)计算为176 mA峰 - 峰值，在(V{IN}=12 V)时为33 mA峰 - 峰值。
   • 最大负载电流：在负载电流为150 mA时，纹波波形的峰值不得达到LM5009电流限制阈值的最小值（250 mA），即纹波幅度必须小于200 mA峰 - 峰值。在(L1 = 150 mu H)、最大(V{IN})和(I{0})时，纹波峰值为238 mA。因此，(L1)必须能够承受该峰值电流而不发生饱和或超过其温度额定值。

五、总结

LM5009宽输入降压开关稳压器凭借其丰富的特性、广泛的应用场景和相对简单的设计流程，成为电子工程师在电源设计中的一个不错选择。不过，在实际应用中，我们还需要根据具体的设计要求和系统环境，仔细考虑各个参数的选择和优化，以确保电路的性能和稳定性。大家在使用LM5009进行设计时，是否也遇到过一些独特的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。