LT1913：高效降压开关稳压器的设计与应用

在电子设计领域，降压开关稳压器是一种常见且关键的元件，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，我们就来深入探讨 Linear Technology 公司的 LT1913 降压开关稳压器，了解它的特性、工作原理以及在实际应用中的设计要点。

文件下载：LT1913.pdf

一、LT1913 特性概览

LT1913 是一款可调频率的单片降压开关稳压器，具有以下显著特性：

1. 宽输入范围：支持 3.6V 至 25V 的输入电压，能适应多种电源环境。
2. 大输出电流：最大输出电流可达 3.5A，可满足大多数负载的功率需求。
3. 可调开关频率：开关频率可在 200kHz 至 2.4MHz 之间调整，为设计提供了灵活性。
4. 低关断电流：关断电流 (I_{0}<1 mu A)，有助于降低功耗。
5. 集成升压二极管：内部集成了升压肖特基二极管，简化了外部电路设计。
6. 可同步性：能在 250kHz 至 2MHz 范围内进行同步，方便与其他电路协同工作。
7. 电源良好标志：通过 PG 引脚可指示输出电压是否达到编程值的 91%。
8. 饱和开关设计：导通电阻仅 95mΩ，提高了效率。
9. 反馈参考电压：反馈参考电压为 0.790V，便于精确控制输出电压。
10. 输出电压范围：输出电压可在 0.79V 至 25V 之间调节。
11. 热保护和软启动功能：具备热保护功能，防止芯片过热；软启动功能可减少启动时的电流冲击。
12. 小封装：采用 10 引脚（3mm × 3mm）DFN 封装，节省电路板空间。

二、工作原理剖析

LT1913 采用恒定频率、电流模式的降压调节方式。其工作过程如下：

1. 振荡器控制：由 RT 引脚连接的电阻设定振荡器频率，振荡器使 RS 触发器置位，开启内部功率开关。
2. 电流监测：放大器和比较器监测 (VIN) 和 SW 引脚之间的电流，当电流达到 (V_{C}) 引脚电压所确定的水平时，关闭开关。
3. 误差放大：误差放大器通过外部电阻分压器测量输出电压，并调节 (V_{C}) 引脚电压，从而控制输出电流。
4. 电流限制：(V_{C}) 引脚的有源钳位提供电流限制功能。
5. 软启动：通过在 RUN/SS 引脚使用外部电阻和电容生成电压斜坡，实现软启动。
6. 内部调节器：内部调节器为控制电路供电，可从 (VIN) 引脚或 BD 引脚获取偏置电源，提高效率。
7. 开关驱动：开关驱动器可从输入或 BOOST 引脚获取电源，通过外部电容和二极管产生高于输入电压的 BOOST 电压，使内部双极 NPN 功率开关充分饱和。
8. 频率折返：当 FB 引脚电压较低时，振荡器降低工作频率，有助于在启动和过载时控制输出电流。
9. 电源良好比较器：当 FB 引脚电压达到其调节值的 91% 时，电源良好比较器触发，PG 输出为开路集电极晶体管，输出正常时为高电平。

三、应用设计要点

1. FB 电阻网络

输出电压通过输出与 FB 引脚之间的电阻分压器进行编程，计算公式为 (R 1=R 2left(frac{V_{OUT }}{0.79 V}-1right))，应选择 1% 精度的电阻。

2. 开关频率设置

LT1913 可通过将电阻从 RT 引脚连接到地来设置开关频率，频率范围为 200kHz 至 2.4MHz。选择合适的开关频率需要权衡效率、元件尺寸、最小压降和最大输入电压等因素。

• 高频优势：可使用较小的电感和电容值。
• 高频劣势：效率降低、最大输入电压降低、压降增加。
• 最大开关频率计算：(f{S W(M A X)}=frac{V{D}+V{OUT }}{t{ON(MIN) }left(V{D}+V{IN }-V{S W}right)})，其中 (V{D}) 为续流二极管压降（约 0.5V），(V_{SW}) 为内部开关压降（最大负载时约 0.5V）。
• 最小和最大占空比计算：(DC{MIN}=f{SW} t{ON(MIN)})，(DC{MAX }=1-f{SW } t{OFF(MIN) })，开关频率降低时，占空比范围增大。

3. 输入电压范围

• 最大输入电压：取决于开关频率和 (V{IN})、BOOST 引脚的绝对最大额定值。在输出启动、短路或过载时，最大输入电压计算公式为 (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})，较高的开关频率会降低最大输入电压。
• 最小输入电压：由 LT1913 的最小工作电压（约 3.6V）或最大占空比决定，计算公式为 (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})，较高的开关频率会增加最小输入电压。

4. 电感选择

电感值和开关频率决定了纹波电流，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)，应确保峰值电感电流低于 LT1913 的开关电流限制。电感值计算公式为 (L=left(frac{V{OUT }+V{D}}{f{SW} Delta l{L}}right)left(1-frac{V{OUT }+V{D}}{V{IN(MAX)}}right))，电感的 RMS 电流额定值应大于最大负载电流，饱和电流应高约 30%，串联电阻（DCR）应小于 0.05Ω。

5. 输入电容

使用 X7R 或 X5R 类型的陶瓷电容对 LT1913 电路的输入进行旁路，10μF 至 22μF 的陶瓷电容通常足够。当开关频率较低时，需要更大的输入电容。若输入电源阻抗高或存在长导线电感，可能需要额外的大容量电容。同时，要注意避免陶瓷输入电容与走线或电缆电感形成的谐振导致输入电压过冲。

6. 输出电容和输出纹波

输出电容的主要作用是滤波和存储能量，推荐的输出电容值计算公式为 (C{OUT }=frac{100}{V{OUT } t_{SW }})，应使用 X5R 或 X7R 类型的陶瓷电容，以获得低输出纹波和良好的瞬态响应。也可使用高性能钽或电解电容，但需注意低 ESR 要求。

7. 续流二极管

续流二极管在开关关断期间导通，正常工作时的平均正向电流计算公式为 (ID(AVG)=I{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right) / N{IN })，应使用反向电压额定值大于输入电压的肖特基二极管。

8. 频率补偿

LT1913 使用电流模式控制，简化了环路补偿。通常在 (V{C}) 引脚连接电容 (C{C}) 和电阻 (R{C}) 进行补偿，还可并联一个小电容 (C{F}) 用于滤波。设计补偿网络需要根据具体应用和输出电容类型进行调整，可参考类似电路并进行优化。

9. BOOST 和 BIAS 引脚考虑

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 BOOST 电压，一般 0.47μF 电容效果较好。不同输出电压需要不同的 BOOST 电路配置，要确保 BOOST 引脚电压比 SW 引脚高 2.3V 以上以获得最佳效率。

10. 软启动

通过在 RUN/SS 引脚连接外部 RC 滤波器，可实现 LT1913 的软启动，减少启动时的最大输入电流。选择合适的 RC 时间常数，可将启动峰值电流降低到调节输出所需的电流，避免过冲。

11. 同步

将方波（占空比 20% 至 80%）连接到 SYNC 引脚，可将 LT1913 振荡器同步到外部频率，同步范围为 250kHz 至 2MHz。(R_{T}) 电阻应设置为使 LT1913 开关频率比最低同步输入低 20%。

12. 短路和反接保护

选择合适的电感可使 LT1913 承受输出短路。在某些情况下，可使用二极管防止输入短路或反接对电路造成损坏。

13. PCB 布局

为保证正常工作和降低 EMI，PCB 布局需注意：

• 使 LT1913 的 (VIN) 和 SW 引脚、续流二极管和输入电容形成的环路尽可能小。
• 将电感和输出电容与上述元件放置在电路板同一侧，并在该层进行连接。
• 在这些元件下方设置局部连续接地平面。
• 减小 SW 和 BOOST 节点的面积。
• 减小 FB 和 (V_{C}) 节点的面积，利用接地走线屏蔽它们免受 SW 和 BOOST 节点的干扰。
• 将封装底部的暴露焊盘焊接到接地平面，作为散热片，并通过热过孔连接到其他接地层，降低热阻。

14. 热插拔安全

使用陶瓷输入电容时，热插拔可能导致输入电压过冲，可在输入串联电阻和电容来消除过冲，同时提高高频滤波效果。

15. 高温考虑

PCB 需提供散热措施，确保 LT1913 保持凉爽。通过将暴露焊盘焊接到接地平面，并使用热过孔连接到其他铜层，可降低热阻。在高温环境下，需根据环境温度对最大负载电流进行降额处理。

四、典型应用电路

文档中给出了多种典型应用电路，包括 5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V 等不同输出电压的降压转换器，以及 2MHz 高频率的 5V 降压转换器和 12V 降压转换器。这些电路为实际设计提供了参考，可根据具体需求进行调整。

五、相关产品推荐

文档还列出了 Linear Technology 公司的其他相关降压转换器产品，如 LT1766、LT1933、LT1936 等，这些产品在输入电压范围、输出电流、开关频率等方面各有特点，可根据不同的应用场景进行选择。

总之，LT1913 是一款性能出色的降压开关稳压器，在设计应用时，需要综合考虑各方面因素，根据具体需求进行合理的元件选择和电路设计，以实现最佳的性能和稳定性。你在实际应用中是否遇到过类似稳压器的设计难题呢？欢迎在评论区分享你的经验和问题。