LTM4732：高性能超静音开关电源模块的设计指南

在电子设备的设计中，电源模块的选择至关重要，它直接影响着设备的性能和稳定性。今天，我们就来深入探讨一下Analog Devices公司的LTM4732超静音开关电源模块，看看它在实际设计中能为我们带来哪些便利和优势。

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一、LTM4732简介

LTM4732是一款高度集成的4A降压型Silent Switcher 3电源模块，采用小巧的6.25mm × 4mm × 1.92mm球栅阵列（BGA）封装。它集成了开关控制器、功率MOSFET、电感器和支持组件，为工程师提供了一个紧凑、高效且低噪声的电源解决方案。

1.1 主要特性

• 超小尺寸：在单面PCB上占用面积小于 (1 ~cm^{2}) ，双面PCB上仅需 (0.5 ~cm^{2}) ，节省了宝贵的电路板空间。
• 低噪声架构：采用Silent Switcher 3架构，具有超低的电磁干扰（EMI）排放和超低的RMS噪声（10Hz至100kHz仅为 (4 mu V_{RMS}) ），非常适合对噪声敏感的应用。
• 宽输入输出范围：输入电压范围为3V至16V，输出电压范围为0.3V至6V，满足多种应用需求。
• 高输出电流：最大连续输出电流可达4A，能够为负载提供充足的功率。
• 可调与同步：开关频率可在400kHz至4MHz之间调节和同步，灵活适应不同的系统要求。
• 快速瞬态响应：采用电流模式控制，能够快速响应负载变化，保持输出电压的稳定。

1.2 应用领域

LTM4732的低噪声和高性能使其广泛应用于电信、网络和工业设备、射频电源（如PLL、VCO、混频器、LNA、PA）、低噪声仪器以及高速/高精度数据转换器等领域。

二、技术参数详解

2.1 电气特性

在 (T{A}=25^{circ} C) ， (V{IN }=12 ~V) 的典型应用条件下，LTM4732的主要电气参数如下：	参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
电源输入直流电压	(V_{IN})	–40°C ≤ (T_{J}) ≤ 125°C	3		16	V
信号输入直流电压	(SV_{IN})	–40°C ≤ (T_{J}) ≤ 125°C	3		16	V
输出电压范围	(V_{OUT(RANGE)})	(V{PGSET} = 0.5V)，–40°C ≤ (T{J}) ≤ 125°C	0.3		6	V
输出电压，随线路和负载的总变化	(V_{OUT(DC)})	多种条件，–40°C ≤ (T_{J}) ≤ 125°C	0.985	1	1.015	V
SET引脚电流	(I_{SET})	(V_{SET} = 1V)	99.5	100	100.5	(mu A)
快速启动SET引脚电流	(I_{SET_START})	(V{SET} = 1V)， (V{PGSET} = 0V)	2	2.5	3	mA
启动时间	(t_{START})	多种条件				ms
RUN引脚导通阈值	(V_{RUN})	(V_{RUN}) 上升		1.32	1.37	V
RUN引脚迟滞	(V_{RUN})			50		mV
内部 (V_{CC}) 电压	(V_{INTVCC})		3.2	3.4	3.6	V
(SV_{IN}) 静态电流	(I_{Q_SVIN})	多种条件				(mu A) 或 mA
输出噪声频谱密度（2kHz）	(V_{OUT_SPOTNOISE})	多种条件		4		(nV/√ Hz)
输出RMS噪声（10Hz至100kHz）	(V_{OUT_RMSNOISE})	多种条件		4		(mu V_{RMS})
输出连续电流	(I_{OUT(DC)})	(V_{OUT} = 1V)			4	A
输出电压线路调整率	(Delta V{OUT(LINE)}/V{OUT})	多种条件，–40°C ≤ (T_{J}) ≤ 125°C	0.025		±0.15	%/V
输出电压负载调整率	(Delta V{OUT(LOAD)}/V{OUT})	多种条件，–40°C ≤ (T_{J}) ≤ 125°C			±1	%
(V_{OSNS}) 输出电流	(I_{VOSNS})	多种条件	80	160	240	nA
输出纹波电压	(V_{OUT(AC)})	多种条件			8	mV
输出电流限制	(I_{OUT_PK})				7	A
最小导通时间	(t_{ON_MIN})				15	ns
(PGSET) 上限阈值	(V_{PGSET})	(PGSET) 上升	525	540	550	mV
(PGSET) 上限阈值迟滞	(V_{PGSET})	(PGSET) 上升		5		mV
(PGSET) 下限阈值	(V_{PGSET})	(PGSET) 下降	455	465	475	mV
(PGSET) 下限阈值迟滞	(V_{PGSET})	(PGSET) 下降		5		mV
(PGSET) 引脚电流	(I_{PGSET})	(V_{PGSET} = 0.5V)		10		(mu A)
PG泄漏电流	(I_{PG})	(V{PG} = 3.3V)， (SV{IN} = 0V)	–40		40	nA
PG下拉电阻	(R_{PG})	(V_{PG} = 0.5V)	380		650	(Omega)
振荡器频率	(f_{OSC})	不同 (R_{T}) 值	300 kHz（ (R_{T}=392kOmega) ）		4 MHz（ (R_{T}=18kOmega) ）
SYNC直流和时钟低电平电压					0.7	V
SYNC阈值	(SYNC_LEVEL)
SYNC直流和时钟高电平电压					1.5	V
PHMODE 180°相移阈值	(V_{PHMODE})				0.7	V
PHMODE 90°相移阈值	(V_{PHMODE})				2.7	V

2.2 绝对最大额定值

为了确保LTM4732的安全可靠运行，我们需要了解其绝对最大额定值：	参数	额定值
(V{IN}) 、 (SV{IN}) 、RUN、PG	18V
SYNC、 (V{OUT}) 、 (V{OSNS}) 、SET、 (PGSET)	6V
PHMODE、COMPa、RT	4V
内部工作结温范围（e级、I级）	-40°C至125°C
存储温度范围	-55°C至125°C
峰值回流焊本体温度	250°C

2.3 静电放电（ESD）

LTM4732是静电放电敏感设备，在处理时需要采取适当的ESD预防措施。其ESD额定值如下：	ESD模型	耐受阈值（V）	等级
HBM	±4000	3A
CDM	±1250	C3

三、引脚配置与功能描述

3.1 引脚配置

LTM4732采用28引脚BGA封装，其引脚配置如下：	引脚	名称	描述
A1	COMPb	内部补偿网络。在大多数应用中，将其连接到COMPa引脚以使用内部补偿。
A2	SVIN	信号 (V{IN}) 。该引脚为LTM4732的内部电路和调节器提供电流。若连接到与 (V{IN}) 不同的电源，需在该引脚放置一个1µF的本地旁路电容。
A3、B3	VIN	电源输入引脚。在这些引脚和GND引脚之间施加输入电压。建议将输入去耦电容直接放置在 (V_{IN}) 引脚和GND引脚之间。
A4、C3、C4、D3、D4、E3、F3、F4	GND	输入和输出返回的电源接地引脚。
B1	RUN	运行控制输入。将RUN连接到高于1.32V（典型值）可启用设备操作；将RUN连接到低于0.4V可关闭设备。
B2	COMPa	内部误差放大器的输出。该引脚上的电压控制峰值开关电流。对于并行操作，将不同通道的所有COMPa引脚连接在一起。连接到COMPb以使用内部补偿；否则，连接到外部RC网络以使用自定义补偿。
B4	PHMODE	PHMODE引脚设置CLKOUT引脚时钟信号的相移。将PHMODE引脚连接到地可实现180°相移；浮空该引脚可实现120°相移；将其连接到 (INTV) （~3.4V）或高于3V的外部电源可实现90°相移。
C2	SET	输出电压设置。该引脚是误差放大器的同相输入和LTM4732的调节设定点。SET引脚提供一个精确的100uA电流，该电流流经连接在SET和GND引脚之间的外部电阻。LTM4732的输出电压由 (V{SET} = I{SET} × R_{SET}) 确定，输出电压范围为0.3V至6V。从SET引脚到GND引脚添加电容可改善噪声，但会增加启动时间。为实现最佳负载调节，将SET引脚电阻的接地端直接连接到负载。
D1	PGSET	电源良好设置。若 (PGSET) 升高到540mV以上或降低到465mV以下，PG引脚将拉低。在 (V{OUT}) 和 (PGSET) 之间连接一个上拉电阻，可使用公式 (R{PGSET} = (2×V_{OUT} - 1) × 49.9kOmega) 设置可编程电源良好阈值。 (PGSET) 激活快速启动电路。若不需要电源良好和快速启动功能， (PGSET) 引脚必须连接到外部0.5V，请勿浮空该引脚。
D2	RT	该引脚通过一个外部电阻连接到AGND来设置振荡器频率。
E1	SYNC	该引脚可编程三种不同的操作模式：1）脉冲跳过模式（PSM）。将该引脚连接到GND可实现PSM，以提高轻载时的效率。2）强制连续模式（FCM）。FCM可提供快速瞬态响应和宽负载范围内的全频率操作。将该引脚连接到 (INTV_{CC}) （~3.4V）或高于3V的外部电源可启用FCM。若该引脚浮空，设备默认以FCM模式运行。3）同步模式。用与外部时钟同步的时钟源驱动该引脚，使设备进入FCM模式。
E2	CLKOUT	多相操作的输出时钟信号。CLKOUT引脚提供一个占空比为50%的开关频率方波。LTM4732内部时钟的CLKOUT相位由PHMODE引脚的状态决定。CLKOUT的峰峰值幅度为 (INTV_{CC}) 到GND。若不使用CLKOUT功能，可浮空该引脚。
E4	SW	LTM4732的开关节点。该引脚仅用于测试目的，请勿用外部电路加载SW引脚。
F1	(V_{OSNS})	输出电压检测。该引脚是误差放大器的反相输入。为实现最佳瞬态性能和负载调节，将 (V_{OSNS}) 直接连接到输出电容和负载。同时，将输出电容和SET引脚电容的所有GND连接直接连接在一起。
F2	PG	输出电源良好指示。PG引脚是内部比较器的开漏输出。在 (V{OSNS}) 处于最终调节电压的±7.5%范围内且无故障条件时，PG引脚保持低电平。当RUN引脚低于1V、 (INTV{CC}) 过低、 (SV{IN}) 过低或发生热关断时，PG引脚也会拉低。当 (SV{IN}) 高于3V时，PG信号有效。
G1	AGND	模拟地。SYNC、RT和COMP引脚的接地返回。AGND引脚在LTM4732模块内部连接到GND引脚。
G2、G3、G4	(V_{OUT})	电源输出引脚。在这些引脚和GND引脚之间施加输出负载。建议将输出去耦电容直接放置在 (V_{OUT}) 引脚和GND引脚之间。

3.2 引脚功能总结

通过对各个引脚功能的了解，我们可以更好地利用LTM4732的特性，实现不同的应用需求。例如，通过SET引脚可以方便地设置输出电压；SYNC引脚可以灵活选择操作模式；PGSET引脚则可实现可编程电源良好和快速启动功能。

四、典型性能特性

4.1 效率与负载关系

不同输入电压下，LTM4732的效率与负载电流的关系曲线如下： 从曲线中可以看出，在不同的输入电压和输出电压条件下，LTM4732都能保持较高的效率，且随着负载电流的增加，效率变化较为平稳。

4.2 功率损耗与负载关系

功率损耗与负载电流的关系曲线反映了LTM4732在不同负载下的功耗情况： 通过这些曲线，我们可以根据实际负载需求，合理选择LTM4732的工作参数，以降低功耗，提高系统效率。

4.3 输出噪声特性

LTM4732的输出噪声频谱密度和RMS噪声特性表现出色： 超低的噪声水平使得LTM4732非常适合对噪声敏感的应用，如射频电源和低噪声仪器等。

4.4 热性能

在不同的环境温度和负载条件下，LTM4732的输出电流需要进行相应的降额： 这些降额曲线为我们在设计时考虑热管理提供了重要参考，确保LTM4732在不同环境下都能稳定工作。

五、工作原理

5.1 整体架构

LTM4732是一个独立的非隔离式开关DC - DC电源，包含电流模式控制器、功率开关元件、功率电感器以及适量的输入和输出电容。它采用固定频率脉冲宽度调制（PWM）架构，开关频率通过将一个电阻从RT引脚连接到AGND来设置。

5.2 工作模式

• **脉冲跳过模式（