LT3686A：高效降压调节器的卓越之选

在电子工程师的设计工作中，选择一款合适的降压调节器至关重要。今天，我们就来深入了解一下Linear Technology的LT3686A降压调节器，看看它有哪些独特的特性和优势。

文件下载：LT3686A.pdf

一、产品概述

LT3686A是一款电流模式PWM降压DC/DC转换器，内置功率开关。其输入电压范围宽达3.6V至37V，这使得它能够适应各种电源，如24V工业电源和汽车电池。高最大频率允许使用小型电感和电容，从而实现非常小的解决方案。此外，其工作频率高于AM频段，避免了对无线电接收的干扰，特别适用于汽车应用。

二、主要特性

（一）宽输入范围与过压锁定保护

它能在3.6V至37V的输入电压下正常工作，并且具备过压锁定保护功能，可承受高达60V的瞬态电压，为电路提供了可靠的保护。

（二）低最小导通时间

能够在2MHz的频率下将16V输入转换为3.3V输出，展现出出色的转换能力。

（三）1.2A输出电流

可以满足大多数应用的功率需求。

（四）可调频率

频率范围为300kHz至2.5MHz，可根据具体应用需求进行调整。在轻负载时能保持恒定的开关频率，还能与外部时钟同步。

（五）其他特性

具备跟踪和软启动功能，可避免启动时的输入电流浪涌；高精度欠压锁定（UVLO）；短路保护能力强；关机时静态电流小于1µA；内部补偿和热增强型MSOP及3mm × 3mm DFN封装，减少了外部元件数量。

三、引脚功能

（一）VIN（引脚1/2）

为LT3686A的内部稳压器和内部功率开关提供电流，该引脚必须进行本地旁路。

（二）BD（引脚2/3）

当SYNC/MODE引脚由时钟脉冲驱动或连接到大于0.8V的电压时，LT3686A可通过调节BD引脚上的有源负载来防止轻负载时的脉冲跳跃。

（三）FB（引脚3/4）

LT3686A将其反馈引脚调节到0.8V，通过连接反馈电阻分压器抽头到该引脚，可根据公式 (R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{0.8 V}-1right)) 设置输出电压，建议R2取值为10k。

（四）SS（引脚4/5）

提供软启动和跟踪功能。内部2µA电流源连接到2.5V参考电压，为外部电容充电，产生电压斜坡。反馈电压和开关频率都跟踪SS电压，当反馈电压达到0.8V时停止跟踪。在UVLO、OVLO和热关断条件下，SS引脚会复位。若不使用软启动功能，可将该引脚浮空。

（五）RT（引脚5/6）

用于编程振荡器频率，可根据数据手册应用部分的表1选择RT电阻的值。

（六）EN/UVLO（引脚6/7）

用于启动LT3686A，将该引脚拉至0.4V以下可使器件关机。1.28V阈值可作为精确的欠压锁定（UVLO），防止稳压器在输入电压达到编程水平之前工作。注意不要将EN/UVLO引脚驱动到高于VIN的电压。

（七）SYNC/MODE（引脚7/8）

用于将LT3686A的内部振荡器与外部信号同步，同步信号的脉冲宽度至少为200ns的开和关时间。同时，该引脚还作为BD有源负载的模式选择引脚，当驱动脉冲或连接到高于0.8V的电压时，可防止轻负载时的脉冲跳跃；将其连接到低于0.4V可禁用有源负载。

（八）BOOST（引脚8/9）

为内部双极NPN功率开关提供高于输入电压的驱动电压。

（九）DA（引脚9/10）

将续流二极管（D1）的阳极连接到该引脚。

（十）SW（引脚10/11, 12）

是内部功率开关的输出，应连接到电感、续流二极管和升压电容。

（十一）GND（外露焊盘引脚11/引脚1, 外露焊盘引脚13）

是器件的唯一接地连接，外露焊盘应焊接到大面积铜区域以降低热阻。

四、工作原理

（一）启动与锁定

EN/UVLO引脚用于将LT3686A置于关机状态，其1.28V阈值可通过外部电阻分压器（R4, R5）编程来禁用器件。当EN/UVLO引脚驱动到高于1.28V时，内部稳压器为控制电路供电，该稳压器包含过压和欠压锁定功能，可防止在VIN大于37V或小于3.6V时进行开关操作。

（二）跟踪软启动

通过SS引脚向外部软启动电容（C4）提供恒定电流，产生电压斜坡，实现跟踪软启动。FB电压在达到0.8V之前跟踪SS引脚电压，之后调节到参考0.8V。软启动还可降低振荡器频率，避免启动时达到电流限制。在过压、欠压、热关断和启动等故障事件中，SS电容会复位。

（三）振荡与开关控制

振荡器由电阻RT编程，设置RS触发器，开启内部1.2A功率开关Q1。放大器和比较器监测VIN和SW引脚之间的电流，当电流达到由VC节点电压确定的水平时，关闭开关。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VC节点。若误差放大器输出增加，输出电流增加；反之则减少。VC节点上的有源钳位提供电流限制。

（四）驱动与频率控制

开关驱动器可从VIN或BOOST引脚获取电源，外部电容和内部升压二极管用于在BOOST引脚产生高于输入电源的电压，使驱动器能充分饱和内部双极NPN功率开关，实现高效运行。比较器通过DA引脚监测续流二极管的电流，当DA引脚电流超过1.7A谷值电流限制时，降低LT3686A的工作频率，有助于在输出短路等高输入电压故障条件下控制输出电流。DA比较器与开关峰值电流限制比较器共同确定LT3686A的最大可输出电流。

（五）有源负载控制

SYNC/MODE引脚还作为BD有源负载电路的模式选择引脚。当SYNC/MODE由同步脉冲驱动或连接到高于0.8V的电压时，启用有源负载；连接到低于0.4V时禁用。LT3686A通过调节有源负载防止轻负载时的脉冲跳跃，有源负载可保证最小负载给升压电容充电，有助于启动，并在超过最大占空比时加速升压电容的充电。有源负载仅在BD引脚电压小于6V时工作。

五、应用信息

（一）FB电阻网络

通过输出和FB引脚之间的电阻分压器来编程输出电压，选择1%的电阻，根据公式 (R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{0.8 V}-1right)) 计算，R2应选择20k或更小，以避免偏置电流误差。

（二）可编程欠压锁定

EN/UVLO引脚可通过VIN和EN/UVLO引脚之间的外部电阻分压器进行编程，根据公式 (R 4=R 5left(frac{V_{I N}}{1.28 V}-1right)) 选择电阻，R4还设置可编程UVLO的滞后电压 (Hysteresis =R 4 cdot 2.4 mu A) 。当VIN降至编程电压以下时，LT3686A进入低静态电流状态（Iq ≈ 15μA），将EN/UVLO引脚电压降至0.4V以下可完全关闭器件（Iq < 1μA）。

（三）输入电压范围

输入电压范围取决于输出电压以及VIN和BOOST引脚的绝对最大额定值。最小输入电压由LT3686A的最小工作电压3.6V或其最大占空比决定，最大输入电压由引脚的绝对最大额定值和最小占空比决定。

（四）最小导通时间

随着输入电压的增加，LT3686A的开关导通时间会缩短，其最小导通时间为100ns。当所需导通时间低于100ns时，开关脉冲宽度保持在100ns，电感电流会上升超过负载电流，输出纹波增加，器件会在输出电压降至编程值以下时再次开始开关。只要负载能承受增加的输出电压纹波，且元件选择正确，脉冲跳跃操作是安全的，不会损坏器件。

（五）频率选择

LT3686A的最大可编程频率为2.5MHz，最小为300kHz，通过将1%电阻从RT引脚连接到地来编程开关频率。选择工作频率时，需考虑最小导通时间和边缘损耗，较高的开关频率会增加功耗并降低效率。SYNC/MODE引脚可用于将内部振荡器与外部方波同步，同步时钟信号应低于2.5MHz，脉冲宽度至少为200ns的开和关时间，低电平低于0.4V，高电平高于0.8V，且同步频率必须高于RT编程频率。

（六）电感选择和最大输出电流

电感值的选择可参考公式 (L=frac{4left(V{OUT }+V{D}right)}{f}) （其中 (V{D}) 为续流二极管的电压降，约0.4V，L单位为μH，频率单位为MHz），这样可避免次谐波振荡。电感的RMS电流额定值必须大于最大负载电流，饱和电流应比最大负载电流高约30%，为保证在故障条件下的可靠运行，饱和电流应高于2A，为保持高效率，串联电阻（DCR）应小于0.1Ω。也可根据公式 (L=frac{2left(V{OUT }+V_{D}right)}{f}) 选择较小的电感值，但会增加电感电流纹波，并降低有源负载使LT3686A保持全开关频率的VIN电压。

（七）续流二极管

建议使用低电容的1 - 2A肖特基二极管作为续流二极管D1，其反向电压额定值应等于或大于最大输入电压，如MBRM140就是一个不错的选择。

（八）输入电容

使用2.2μF或更高值的X7R或X5R类型陶瓷电容对LT3686A电路的输入进行旁路，Y5V类型在温度和施加电压下性能较差，不建议使用。若输入电源阻抗高或存在长电线或电缆导致的显著电感，可能需要额外的大容量电容，可使用低性能电解电容。输入电容可减少LT3686A处的电压纹波，并将高频开关电流限制在局部回路中，减少EMI。同时，要注意陶瓷输入电容与走线或电缆电感可能形成的高Q值（欠阻尼）谐振电路，避免在插入带电电源时输入电压超过LT3686A的额定电压。

（九）输出电容

输出电容有两个主要功能：一是与电感一起过滤LT3686A产生的方波，产生直流输出，因此在开关频率下的低阻抗很重要；二是存储能量以满足瞬态负载并稳定控制回路。陶瓷电容具有非常低的等效串联电阻（ESR），能提供最佳的纹波性能，可根据公式 (C{OUT }=frac{145}{ V{OUT } cdot f}) （ (C{OUT }) 单位为μF，频率单位为MHz）选择合适的值。也可根据公式 (C{OUT }=frac{83}{V_{OUT } cdot f}) 选择较小的输出电容，但会增加环路交叉频率和对噪声的敏感性，需要仔细进行PCB设计。高性能电解电容也可用于输出电容，应选择低ESR的产品，其ESR应小于0.1Ω。

（十）BOOST和BD引脚考虑

电容C3和内部升压二极管用于产生高于输入电压的升压电压，大多数情况下0.22μF的电容效果较好。BOOST引脚必须比SW引脚高至少2.2V以实现最佳效率。对于3V及以上的输出，标准电路效果最佳；对于低于3V且高于2.5V的输出，可在内部二极管并联一个分立肖特基二极管以降低 (V{D}) 。可根据公式 (C{BOOST }=frac{0.065}{left(V{BD}+V{CATCH}-V{D}-2.2right) cdot f}) 计算和最小化升压电容值（单位为μF）， (V{D}) 为升压二极管的正向压降， (V_{CATCH}) 为续流二极管（D1）的正向压降，频率单位为MHz，典型值0.22µF可用于CBOOST。对于较低的输出电压，BD引脚可连接到具有适当本地旁路的外部电压源，上述公式仍适用于计算所选BD电压的最佳升压电容。启动时BD电压的缺失会增加启动的最小电压并降低效率，同时要确保不超过BOOST引脚的最大电压额定值。BD引脚也可连接到VIN，但VIN将限制在25V，且有源负载电路会自动禁用。

（十一）轻负载固定频率

LT3686A包含独特的有源负载电路，可在非常轻的负载下实现全频率开关。通过将SYNC/MODE引脚由时钟脉冲驱动或连接到大于0.8V的直流电压来启用有源负载。典型的固定频率非同步降压调节器在轻负载时会跳过脉冲，而LT3686A的BD有源负载通过在全频率不连续和脉冲跳跃模式之间提供一种操作方式来防止脉冲跳跃。有源负载可将脉冲跳跃边界提高，当接近最小导通时间时，其功率开关平稳过渡到固定导通时间、固定频率的开环电流源，内部误差放大器通过BD引脚调节输出上的有源负载以维持输出电压调节。有源负载在MODE引脚连接高电平时启用，连接低电平时禁用，即使激活，当BD电压超过6V或VIN时，有源负载会关闭以最小化功耗并智能响应外部配置。有源负载还可在启动时协助充电升压电容，并在超过最大占空比时加速升压电容的充电，不使用时不消耗电流。

（十二）软启动

SS引脚用于软启动LT3686A，消除启动时的输入电流浪涌，也可用于跟踪系统中的另一个电压。内部2µA电流源为外部软启动电容充电，产生电压斜坡，FB电压在达到0.8V之前跟踪SS引脚电压，之后调节到参考0.8V。软启动还可降低振荡器频率，避免启动时达到电流限制。

（十三）短路和反向保护

如果电感选择得当，不会过度饱和，LT3686A能够承受输出短路。在短路条件下，LT3686A会降低频率，直到谷值电流为1.7A。在某些系统中，当LT3686A的输入缺失时输出可能保持高电平，此时若VIN引脚浮空且EN/UVLO引脚保持高电平，内部电路会通过SW引脚汲取静态电流；若将EN/UVLO引脚接地，SW引脚电流将降至几乎为零。若VIN引脚接地而输出保持高电平，LT3686A内部的寄生二极管可能会从输出通过SW引脚和VIN引脚汲取大电流，可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。

（十四）安全热插拔

陶瓷电容因其小尺寸、坚固性和低阻抗，是LT3686A电路输入旁路电容的有吸引力的选择。但如果将LT3686A插入带电电源，这些电容可能会导致问题。低损耗陶瓷电容与电源串联的杂散电感形成欠阻尼谐振电路，LT3686A的VIN引脚电压可能会振荡到标称输入电压的两倍，可能超过其额定值并损坏器件。可通过添加带有串联电阻的另一个电容来阻尼谐振电路，如添加铝电解电容，其高等效串联电阻可消除电压过冲，还可改善低频纹波滤波并略微提高电路效率，但可能是电路中最大的元件。另一种解决方案是在输入串联一个1Ω电阻来消除电压过冲，同时添加0.1μF电容改善高频滤波，这种解决方案尺寸更小、成本更低，对于高输入电压，对效率的影响较小。

（十五）频率补偿

LT3686A采用电流模式控制来调节输出，简化了环路补偿。它不需要输出电容的ESR来保证稳定性，允许使用陶瓷电容实现低输出纹波和小电路尺寸。使用推荐的输出电容时，环路交叉发生在 (R{C} C{C}) 零点之上。如果使用较大的陶瓷电容（非常低的ESR），交叉频率可能较低，可在反馈分压器上添加一个相位超前电容（CPL）来改善相位裕度和瞬态响应。大型电解电容的ESR可能足够大以产生额外的零点，此时可能不需要相位超前电容。如果输出电容与推荐电容不同，应在所有工作条件下检查稳定性，包括负载电流、输入电压和温度。

（十六）PCB布局

为了确保LT3686A的正常运行和最小化EMI，在印刷电路板布局时需要特别注意。应使LT3686A的VIN和SW引脚、续流二极管（D1）和输入电容（C2）形成的环路尽可能小，并仅在一处连接到系统地。这些元件以及电感和输出电容应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一个局部、连续的接地平面，并在一处将其连接到系统地，理想情况下是在输出电容C1的接地端子处。SW和BOOST节点应尽可能小，同时保持FB节点小，使接地引脚和接地走线能够屏蔽它免受SW和BOOST节点的影响。在LT3686A的外露GND焊盘附近设置过孔，有助于将热量从LT3686A散发到接地平面。

（十七）高温考虑

LT3686A的管芯温度必须低于