LT1939：一款高性能的电源解决方案

引言

在电子工程师的日常工作中，寻找合适的电源管理芯片是一项至关重要的任务。今天我们要探讨的是 Linear Technology 公司的 LT1939，这是一款集多种功能于一身的电源管理芯片，适合多种应用场景。

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一、产品概述

LT1939 是一款单芯片 2A 降压稳压器加上线性稳压器/控制器。它具有以下显著特点：

1. 宽输入范围：输入电压范围为 3V 至 25V，能够适应包括汽车电池、工业电源和未稳压的墙式适配器等多种电源。
2. 短路保护：在整个输入范围内都具备短路保护功能，大大提高了系统的可靠性。
3. 高输出电流能力：能够提供高达 2A 的输出电流，满足大多数负载的需求。
4. 频率可调与同步：支持 250kHz 至 2.2MHz 的可调/同步固定频率操作，方便工程师根据不同的应用需求进行优化。
5. 软启动与跟踪功能：软启动功能可以控制输出电压的上升速率，避免启动时的输入电流浪涌，同时还具备输出跟踪功能。
6. 输出电压可调：输出电压可以调低至 0.8V，满足不同的电压需求。
7. 线性稳压器/驱动器：内置可调线性稳压器/驱动器，输出能力达 13mA。
8. 电源良好比较器：带有互补输出的电源良好比较器，方便监控输出状态。
9. 低关断电流：关断电流仅为 12μA，有助于降低系统功耗。
10. 封装优势：采用热增强型 3mm × 3mm DFN 封装，节省空间且散热性能良好。

二、技术细节分析

（一）工作模式与控制

LT1939 是一款恒频、电流模式的降压转换器，采用内部 2.3A 开关，同时还集成了一个输出能力为 13mA 的线性稳压器。通过一个共同的 SHDN 引脚、内部稳压器、振荡器、欠压检测、软启动、热关断和上电复位来控制两个输出。 当 SHDN 引脚电压低于 0.8V 时，芯片进入低静态电流模式，此时典型电流仅为 12μA。当 SHDN 引脚浮空或驱动电压高于 0.76V 时，内部偏置电路开启，生成内部稳压电压、0.8V（VFB）和 1V（RT/SYNC）参考电压以及上电复位信号，设置软启动锁存器。 振荡器的频率由 RT/SYNC 引脚到地的电阻值决定，也可以通过外部时钟信号进行同步。电流模式控制通过内部时钟和两个反馈回路来控制功率开关的占空比，相比电压反馈系统，具有更好的频率补偿和更快的瞬态响应。

（二）软启动与保护机制

在启动时，上电复位信号设置软启动锁存器，将 SS 引脚放电至接近 0V，确保正确的启动操作。当 SS 引脚电压低于 100mV 时，VC 引脚被拉低，禁止开关操作；当 SS 引脚电压高于 100mV 时，VC 引脚被释放，输出开始调节。 如果输出电流超过 VC 引脚设定的最大电流，SS 引脚将放电，降低调节点，直到输出电压能够由最大电流支持。当过载情况消除后，输出将从过载调节点软启动恢复。此外，输入欠压检测或热关断会触发软启动锁存器，启动完整的软启动序列。

（三）电源良好指示

PG 和 PG 引脚是内部比较器的集电极输出，用于监控 FB 和 LFB 引脚电压。当 FB 和 LFB 引脚电压低于或高于参考电压的 90%时，PG 和 PG 引脚会相应地吸收电流，可用于作为错误标志或驱动输出断开设备。

三、应用设计要点

（一）输出电压选择

输出电压通过输出和 FB 引脚之间的电阻分压器进行编程。公式为 (R1 = R2(frac{V_{OUT1}}{0.8V}-1))，其中 R2 应选择 10.0k 或更小的值，以避免偏置电流误差。

（二）开关频率选择

开关频率由 RT/SYNC 引脚的电阻 R5 决定，RT/SYNC 引脚内部稳压为 1V。为了减小整体解决方案的尺寸，通常应尽可能选择较高的开关频率，但要考虑到高频下的开关损耗和最小开关导通时间会导致效率和最大输入电压降低。最大推荐频率可以通过公式 (Frequency (Hz)=frac{V{OUT1}+V{D}}{V{IN}-V{SW}+V{D}} cdot frac{1}{t{ON(MIN)}}) 近似计算。

（三）输入电压范围确定

最小输入电压由芯片的最小工作电压（约 2.8V）或最大占空比决定，最大输入电压由 VIN 和 BST 引脚的绝对最大额定值、频率和最小占空比决定。具体计算公式为 (V{IN(MIN)}=frac{V{OUT1}+V{D}}{DC{MAX}}-V{D}+V{SW}) 和 (V{IN(MAX)}=frac{V{OUT1}+V{D}}{DC{MIN}}-V{D}+V{SW})，其中 (DC{MAX}=1 - t{OFF(MIN)} cdot Frequency)，(DC{MIN}=t{ON(MIN)} cdot Frequency)。

（四）电感选择

电感的初始选择可以使用公式 (L=frac{(V{IN}-V{OUT1}) cdot V{OUT1}}{V{IN } cdot f})，其中 f 为频率（MHz），L 为电感值（μH）。选择电感时，要考虑电感的 RMS 电流额定值、饱和电流和串联电阻（DCR），以确保能够提供足够的输出电流和较高的效率。同时，要注意避免电感值过低导致不连续模式操作，影响最大负载电流。

（五）电容选择

1. 输入电容：使用 4.7μF 或更高的 X7R 或 X5R 类型陶瓷电容对输入进行旁路，以降低电压纹波和 EMI。也可以结合使用低价值陶瓷电容和大容量电解电容或钽电容。输入电容的选择要考虑其在开关频率下的低阻抗和足够的纹波电流额定值。
2. 输出电容：输出电容的初始值可以通过公式 (C{VOUT1}=frac{Max Load Step}{Frequency cdot 0.05 cdot V{OUT1}}) 计算。陶瓷电容由于其低 ESR、小尺寸和高鲁棒性，是 LT1939 应用的首选。但要注意避免使用 Y5V 和 Z5U 类型电容，因为它们在温度和电压变化时电容值变化较大。

（六）其他元件选择

1. 续流二极管：使用肖特基二极管作为续流二极管，以降低正向电压降，提高效率。二极管的峰值反向电压应等于稳压器输入电压，平均正向电流应根据正常工作时的负载电流进行选择。
2. BST 引脚电容和二极管：BST 引脚的电容和二极管用于生成高于输入电压的驱动电压。通常选择 0.47μF 电容和快速开关二极管，电容的 ESR 应小于 12Ω，以确保在开关关断时间内能够完全充电。

四、PCB 布局与散热考虑

（一）PCB 布局

为了确保 LT1939 的正常运行和最小化 EMI，PCB 布局非常关键。要注意将功率开关、续流二极管和输入电容形成的大电流开关回路面积尽量减小，这些元件应放置在电路板的同一侧，并在其下方设置局部、连续的接地平面，通过一个点连接到系统接地，理想情况下是连接到输出电容 C2 的接地端。同时，SW 和 BST 走线应尽量短。

（二）散热考虑

为了保证 LT1939 的散热性能，需要将封装底部的外露金属焊接到接地平面，并通过热过孔将其连接到其他铜层，以分散芯片产生的热量。在靠近续流二极管的地方添加额外的过孔，增加顶部和底部层的铜面积，并通过过孔将其连接到内部平面，可以进一步降低热阻。

五、典型应用案例

LT1939 适用于多种应用场景，如汽车电池调节、工业控制、墙式变压器调节和分布式电源调节等。文档中还给出了多个典型应用电路，如高效线性稳压器、5V/1.5A 和 3.3V/0.5A 降压输出断开电路、5V/2A 降压带电源良好 LED 电路等，这些电路为工程师提供了实际的设计参考。

六、总结

LT1939 作为一款高性能的电源管理芯片，具有多种实用功能和良好的性能指标。在设计过程中，工程师需要综合考虑输出电压、开关频率、电感和电容选择、PCB 布局和散热等多个方面，以确保系统的稳定性和可靠性。你在实际应用中是否也遇到过类似的电源设计问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。