深入解析 LTM4609：高效 Buck - Boost DC/DC µModule 稳压器的设计秘籍

在电子工程师的日常设计工作中，电源模块的选择至关重要。今天我们就来深入探讨一款高性能的电源模块——LTM4609，它是一款 36VIN、34VOUT 的高效率 Buck - Boost DC/DC µModule 稳压器，能为我们的设计带来诸多便利。

文件下载：LTM4609.pdf

一、LTM4609 概述

1. 产品特性

LTM4609 采用单电感架构，允许输入电压 (V{IN}) 高于、低于或等于输出电压 (V{OUT})。其输入电压范围为 4.5V 至 36V，输出电压范围为 0.8V 至 34V，可通过一个电阻进行设置。在升压模式下，它能提供高达 4A 的连续电流，降压模式下更是能达到 10A。效率方面表现出色，最高可达 98%。

它还具备电流模式控制、Power Good 输出信号、可锁相的固定频率（200kHz 至 400kHz）以及超快的瞬态响应等特性。同时，该模块拥有过压和折返电流保护等故障保护功能，采用小尺寸的表面贴装封装，如 15mm × 15mm × 2.82mm LGA 和 15mm × 15mm × 3.42mm BGA 封装，并且有 SnPb（BGA）或符合 RoHS 标准（LGA 和 BGA）的终端镀层可供选择。

2. 应用领域

LTM4609 的应用范围广泛，涵盖了电信、服务器和网络设备、工业和汽车设备以及高功率电池供电设备等领域。

二、电气特性剖析

1. 输入输出规格

输入直流电压 (V{IN(DC)}) 范围为 4.5V 至 36V，欠压锁定阈值 (V{IN(UVLO)}) 根据不同的温度范围有所不同。输入电源偏置电流在不同工作模式下也有相应的数值，如正常模式下为 2.8mA，待机模式下为 1.6mA，关机模式下为 35µA。

输出连续电流范围在降压和升压模式下不同，例如在 (V{IN} = 32V)，(V{OUT} = 12V) 时，降压模式下可达 10A；在 (V{IN} = 6V)，(V{OUT} = 12V) 时，升压模式下为 4A。同时，它还具备良好的线路调节精度和负载调节精度。

2. 开关部分特性

开关部分的 MOSFET 具有快速的导通和关断时间，如 M1 的导通时间 (t{r}) 为 50ns，关断时间 (t{f}) 为 40ns 等。不同 MOSFET 之间还有相应的延迟时间，如 M1 关断到 M2 导通的延迟时间 (t{1d}) 为 50ns 等。此外，MOSFET 的静态漏源导通电阻也在一定范围内，如 M1 的 (R{DS(ON)}) 为 10mΩ。

3. 振荡器和锁相环

振荡器的标称频率 (f{NOM}) 在 (V{PLLFLTR} = 1.2V) 时为 260kHz 至 330kHz，最低频率 (f{LOW}) 在 (V{PLLFLTR} = 0V) 时为 170kHz 至 220kHz，最高频率 (f{HIGH}) 在 (V{PLLFLTR} = 2.4V) 时为 340kHz 至 440kHz。PLLIN 输入电阻为 50kΩ，鉴相器输出电流根据不同情况有所不同。

4. 控制部分特性

反馈参考电压 (V{FB}) 在不同温度范围和 (V{COMP}) 条件下有相应的数值。RUN 引脚的 ON/OFF 阈值为 1V 至 2.2V，软启动充电电流为 - 1.7µA 至 - 1µA 等。

5. 内部 (V_{CC}) 调节器

内部 (V{CC}) 电压在不同输入电压和 (V{EXTVCC}) 条件下有所不同，如 (V{IN} = 12V)，(V{EXTVCC} = 5V) 时为 5.7V 至 6.3V。同时，它还具备内部 (V_{CC}) 负载调节、EXTVCC 切换电压和滞后等特性。

6. 电流传感部分

最大电流传感阈值在升压和降压模式下不同，如升压模式下为 - 95mV 至 190mV，降压模式下为 - 130mV 至 150mV。最小电流传感阈值在不连续模式下为 - 6mV。

7. PGOOD 引脚

PGOOD 引脚用于监测输出电压是否在规定范围内，其上下阈值分别为 ±5.5% 至 ±10%，滞后为 2.5%，低电压为 0.2V 至 0.3V，泄漏电流最大为 1µA。

三、典型性能特性

1. 效率与负载电流关系

从典型性能曲线可以看出，在不同的输入输出电压组合下，如 32VIN 到 12VOUT、12VIN 到 12VOUT、6VIN 到 12VOUT 等，效率随负载电流的变化情况。同时，不同电感值（如 3.3µH、8µH、5.6µH 等）也会对效率产生影响。

2. 瞬态响应

在不同的输入输出电压和负载变化情况下，LTM4609 具有良好的瞬态响应能力。例如在 12VIN 到 12VOUT、6VIN 到 12VOUT、32VIN 到 12VOUT 等情况下，当负载从 0A 阶跃到 3A 或 5A 时，输出电压能够快速恢复稳定。

3. 启动与短路情况

在启动过程中，如 (6V{IN}) (12V{OUT}) 在 (I{OUT} = 4A)、(32V{IN}) (12V{OUT}) 在 (I{OUT} = 5A) 等情况下，输出电压能够平稳上升。在短路情况下，如 (6V{IN}) (12V{OUT}) 在 (I{OUT} = 4A)、(32V{IN}) (12V{OUT}) 在 (I{OUT} = 5A)、(12V{IN}) (34V{OUT}) 在 (I_{OUT} = 2A) 等情况下，模块能够进行有效的保护，限制电流。

四、引脚功能详解

1. 电流传感与检测引脚

SENSE + 和 SENSE - 分别为电流传感和反向电流检测比较器的正、负输入引脚。

2. 软启动与控制引脚

SS 引脚用于软启动，通过连接一个电容来控制输出电压的上升速率。RUN 引脚用于控制模块的开启和关闭，当电压低于 1.6V 时，模块关闭。FCB 引脚用于设置模块的工作模式，不同的电压输入对应不同的工作模式，如强制连续模式、跳周期模式等。STBYMD 引脚用于控制内部 LDO 在控制器关闭时是否保持工作。

3. 电源输入与输出引脚

(V{IN}) 为电源输入引脚，建议在这些引脚和 PGND 引脚之间放置输入去耦电容。(V{OUT}) 为电源输出引脚，同样建议在这些引脚和 PGND 引脚之间放置输出去耦电容。

4. 其他功能引脚

PGOOD 引脚用于指示输出电压是否在规定范围内，当输出电压不在 ±7.5% 的调节点范围内时，该引脚拉低。(V{FB}) 为误差放大器的负输入引脚，通过连接一个额外的电阻可以编程不同的输出电压。COMP 引脚为电流控制阈值和误差放大器补偿点，PLLFLTR 引脚用于设置内部振荡器的频率，PLLIN 引脚用于外部时钟同步。(INTV{CC}) 为内部 6V 调节器输出引脚，(EXTV{CC}) 为外部 (V{CC}) 引脚，当 (EXTV_{CC}) 超过 5.7V 时，内部调节器关闭。

五、工作原理及操作要点

1. 电源模块描述

LTM4609 是一款非隔离式 Buck - Boost DC/DC 电源模块，通过添加传感电阻、电感和一些外部输入输出电容，能够在 4.5V 至 36V 的宽输入范围内提供 0.8V 至 34V 的宽输出电压。它采用集成的电流模式 Buck - Boost 控制器、超低 (R_{DS(ON)}) 的 FET 和集成的肖特基二极管，具有良好的稳定性和瞬态性能。

2. 工作频率选择

LTM4609 的工作频率可以通过设置 PLLFLTR 引脚的电压来调整，范围为 200kHz 至 400kHz。也可以通过 PLLIN 引脚的输入时钟信号进行同步。随着工作频率的增加，栅极电荷损耗会增加，效率会降低，因此最大开关频率约为 400kHz。

3. 低电流操作模式

为了提高低输出电流时的效率，LTM4609 在 FCB 引脚接受逻辑输入，提供了三种工作模式，分别适用于降压和升压操作。当 FCB 引脚电压低于 0.8V 时，为强制连续模式；当电压低于 (V{INTVCC} - 1V) 但大于 0.85V 时，升压操作进入 Burst 模式，降压操作进入跳周期模式；当 FCB 引脚电压连接到 (INTV{CC}) 引脚时，进入恒定频率不连续电流模式（DCM）。

4. 电容与电感选择

在输入电容选择方面，升压模式下输入电流连续，所需输入电容较少；降压模式下输入电流不连续，需要选择合适的电容来过滤输入方波电流。输出电容在升压模式下需要能够降低输出电压纹波，在降压模式下也有相应的纹波计算公式。电感的选择主要由所需的纹波电流和工作频率决定，同时要考虑电感的直流电阻和饱和电流。

5. RSENSE 选择与最大输出电流

(R{SENSE}) 的选择基于所需的电感电流，在降压和升压模式下建议使用不同的传感电阻。通过相应的公式可以计算出允许的最大平均负载电流和最大电流传感 (R{SENSE}) 值，通常建议在计算值上保留 20% 至 30% 的余量。

6. 软启动与运行控制

SS 引脚通过连接一个电容来实现软启动功能，控制输出电压的上升速率。RUN 引脚用于启用电源模块，也可以作为欠压锁定（UVLO）功能使用。

7. 故障保护与待机模式

LTM4609 具有电流模式控制器，能够在稳态和瞬态情况下限制逐周期电感电流。在过载情况下，还提供折返电流限制功能。Standby 模式（STBYMD）引脚提供了多种启动和待机操作模式的选择，同时内部的 6V 输出线性调节器可以为一些保持活动的功能提供电源。

六、设计实例分析

1. 降压模式操作

以 (V{IN} = 12V)，(V{OUT} = 12V)，(f = 400kHz) 为例，将 PLLFLTR 引脚设置为 2.4V 或更高以获得 400kHz 的频率，将 FCB 连接到地以实现连续电流模式操作。通过公式计算选择合适的 (R_{FB}) 电阻，根据电流纹波比选择 4.7µH 的电感，根据最大输出电流和允许的最大传感阈值选择 9mΩ 的传感电阻。输入电容选择 10µF 陶瓷电容，输出电容选择总 ESR 约为 5mΩ 的电容以满足输出电压纹波要求。

2. 升压模式操作

对于 (V{IN} = 5V)，(V{OUT} = 12V)，(f = 400kHz) 的情况，同样设置 PLLFLTR 引脚和 (R_{FB}) 电阻。根据最大输出功率和模块效率计算电流纹波比，选择 3.3µH 的电感，根据最大输入电流和允许的最大传感阈值选择 8mΩ 的传感电阻。输入电容在升压模式下只需要最小电容，输出电容需要更多以过滤方波电流，同样选择总 ESR 约为 5mΩ 的电容。同时，建议在 SW1 引脚添加一个 RC 缓冲器以获得低开关噪声。

3. 宽输入模式操作

当需要 5V 至 36V 的宽输入范围时，模块会在不同的工作模式下工作。考虑到降压和升压模式的最坏情况，最大输出功率限制为 60W。选择 8mΩ 的传感电阻，输入电容采用降压模式设计，输出电容采用升压模式设计。为了满足纹波设计要求，在降压模式下允许更高的电感纹波电流，选择 3.3µH 的电感。

七、应用注意事项

1. 安全考虑

LTM4609 模块不提供 (V{IN}) 和 (V{OUT}) 之间的隔离，且内部没有保险丝。如果需要，应提供一个额定电流为最大输入电流两倍的慢熔保险丝，以保护每个单元免受过载故障的影响。

2. PCB 布局

虽然 LTM4609 的高集成度使得 PCB 布局相对简单，但为了优化其电气和热性能，仍需注意以下几点：

• 使用大面积的 PCB 铜箔用于高电流路径，包括 (V{IN})、RSENSE、SW1、SW2、PGND 和 (V{OUT})，以减少 PCB 传导损耗和热应力。
• 在 (V{IN})、PGND 和 (V{OUT}) 引脚附近放置高频输入和输出陶瓷电容，以减少高频噪声。
• 将 SENSE + 和 SENSE - 引线紧密排列，避免感测线穿过噪声区域，如开关节点。
• 在模块下方放置一个专用的电源接地层。
• 使用多个过孔进行顶层和其他电源层之间的互连，以减少过孔传导损耗和模块热应力。
• 除非过孔被覆盖，否则不要直接在焊盘上放置过孔。
• 为连接到信号引脚的组件使用一个单独的 SGND 接地铜区域，并将 SGND 连接到模块下方的 PGND。

八、总结

LTM4609 是一款功能强大、性能出色的 Buck - Boost DC/DC µModule 稳压器，具有宽输入输出电压范围、高效率、快速瞬态响应和多种保护功能等优点。在设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择外部组件，如电感、电容、传感电阻等，并注意 PCB 布局和安全考虑。通过对 LTM4609 的深入了解和正确应用，我们能够为各种电子设备设计出稳定、高效的电源解决方案。你在使用类似电源模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。