电子工程师必看：LTC1707同步降压开关稳压器深度剖析

在电子设备的电源设计中，选择一款合适的开关稳压器至关重要。今天，我们就来深入探讨Linear Technology公司的LTC1707，一款高性能的单片同步降压开关稳压器。

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一、LTC1707的特性亮点

1. 强大的输出能力

LTC1707能够提供高达600mA的输出电流（当 (V_{IN} ≥4V) ），这使得它可以满足许多中低功率设备的供电需求。

2. 高效率表现

其效率最高可达96%，这意味着在能量转换过程中，能够最大程度地减少能量损耗，提高电源的使用效率，对于电池供电的设备来说，这可以有效延长电池的续航时间。

3. 稳定的频率控制

它采用350kHz的恒定频率，并且可以同步到550kHz，这种稳定的频率控制有助于减少电磁干扰，同时也能让工程师根据实际需求灵活调整。

4. 宽输入电压范围

输入电压范围为2.85V至8.5V，这使得它既可以适用于单节或双节锂离子电池供电的应用，也能在其他多种电源环境下稳定工作。

5. 低电压输出能力

凭借0.8V的反馈参考，它可以轻松实现低至0.8V的输出电压，满足一些对低电压供电有需求的设备。

6. 无需肖特基二极管

内部的同步MOSFET开关提高了效率，同时省去了外部肖特基二极管，减少了元件数量和电路板空间。

7. 多种工作模式

具备可选的Burst Mode™ 操作/脉冲跳过模式，能够根据负载情况自动调整工作模式，在轻负载时提供更高的效率。

8. 其他特性

还具有低静态电流（200µA）、关机模式仅消耗11µA的电源电流、精确的2.7V欠压锁定、电流模式控制以实现出色的线路和负载瞬态响应等特性。

二、应用领域广泛

LTC1707适用于多种电子设备，如手机、便携式仪器、无线调制解调器、RF通信设备、分布式电源系统以及单节和双节锂离子电池供电的设备等。

三、工作原理详解

1. 主控制回路

LTC1707采用恒定频率、电流模式降压架构，内部集成了主（P沟道MOSFET）和同步（N沟道MOSFET）开关。在正常工作时，振荡器设置RS锁存器时，内部顶部功率MOSFET开启；电流比较器 (I COMP) 复位RS锁存器时，顶部MOSFET关闭。 (I COMP) 复位RS锁存器的峰值电感电流由 (I{TH}) 引脚的电压控制，该电压是误差放大器EA的输出。 (V{FB}) 引脚接收外部电阻分压器的输出反馈电压，当负载电流增加时，反馈电压相对于0.8V参考略有下降，导致 (I_{TH}) 电压升高，直到平均电感电流与新的负载电流匹配。顶部MOSFET关闭时，底部MOSFET开启，直到电感电流开始反向或下一个周期开始。

2. Burst Mode操作

当SYNC/MODE引脚浮空或连接到逻辑高电平时，LTC1707进入Burst Mode操作。在这种模式下，内部功率MOSFET根据负载需求间歇性工作。当电感的平均电流大于负载需求时， (I{TH}) 引脚电压下降，当 (I{TH}) 电压低于0.12V时，BURST比较器触发，使内部睡眠线变高，强制关闭两个内部功率MOSFET。在睡眠模式下，功率MOSFET关闭，内部电路部分关闭，静态电流降至200µA。当输出电压下降， (I_{TH}) 上升到0.22V以上时，顶部MOSFET再次开启。

3. 短路保护

当输出短路到地时，振荡器频率降低到约35kHz（标称频率的1/10），确保电感电流有更多时间衰减，防止失控。当 (V_{FB}) 上升到0.3V以上时，振荡器频率逐渐增加到350kHz（或同步频率）。

4. 频率同步

LTC1707可以与外部TTL/CMOS兼容的时钟信号同步，信号幅度至少为 (2Vp-p) ，频率范围为385kHz至550kHz。同步时，LTC1707工作在PWM脉冲跳过模式，在低输出负载时，电流比较器 (I COMP) 保持触发多个周期，迫使主开关保持关闭相同数量的周期。增加输出负载可恢复恒定频率PWM操作。当反馈电压 (VFB) 低于0.6V时，频率同步被禁止，以防止外部时钟干扰短路保护的频率折返。

5. 降压操作

当输入电源电压接近输出电压时，占空比增加到最大导通时间。进一步降低电源电压会使主开关连续导通多个周期，直到达到100%占空比。输出电压由输入电压减去P沟道MOSFET和电感上的电压降决定。在Burst Mode或脉冲跳过模式下轻载时，LTC1707进入降压状态时会过渡到连续模式。

6. 欠压锁定

当 (VIN) 下降到2.7V以下时，精确的欠压锁定会关闭LTC1707，这对于单节锂离子电池应用非常理想。在锁定状态下，LTC1707仅消耗几微安的电流，可防止锂离子电池过度放电和损坏。100mV的滞后确保在有噪声的输入电源下可靠工作。

7. 低电源操作

LTC1707设计为可在低至2.85V的输入电压下工作。在该电压下，转换器很可能以高占空比运行或处于降压状态，主要的 (I^{2} R) 损耗来自P沟道MOSFET的 (R{DS(ON)}) 。当 (V{IN}<4V) 时，输出电流需要降额。

四、应用信息与设计要点

1. 外部元件选择

• 电感值计算：电感选择取决于LTC1707的工作频率，内部预设频率为350kHz，可外部同步至550kHz。较高的工作频率允许使用较小的电感和电容值，但会增加内部栅极电荷损耗，导致效率降低。电感值直接影响纹波电流，合理设置纹波电流的起点为 (Delta I{L}=0.4(I{MAX})) 。此外，电感值还会影响Burst Mode操作，较低的电感值会使低电流操作的过渡在较低负载电流下发生，可能导致低电流操作上半部分的效率下降，并且会使Burst频率增加。
• 电感磁芯选择：高效率转换器通常不能承受低成本铁粉芯的磁芯损耗，因此需要选择铁氧体、钼坡莫合金或Kool Mµ等磁芯。铁氧体设计具有非常低的磁芯损耗，在高开关频率下是首选，但要注意防止磁芯饱和。Kool Mµ是一种低损耗的环形磁芯材料，具有“软”饱和特性。钼坡莫合金在高开关频率下效率稍高，但价格较贵。环形磁芯空间效率高，而绕在骨架上的电感通常更容易表面贴装。
• (C{IN}) 和 (C{OUT}) 选择：在连续模式下，顶部MOSFET的源电流是占空比为 (V{OUT } / V{IN }) 的方波，为防止大的电压瞬变，需要使用低ESR的输入电容器，其最大RMS电流由公式 (C{IN } required I{RMS } cong I{MAX } frac{left[V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)right]^{1 / 2}}{V{IN }}) 计算。 (C{OUT}) 的选择取决于所需的有效串联电阻（ESR），输出纹波 (Delta V{OUT }) 由公式 (Delta V{OUT } cong Delta I{L}left(ESR+frac{1}{8 fC{OUT }}right)) 确定。对于LTC1707，一般要求 (C_{OUT } required ESR <0.25 Omega) 。

2. 输出电压编程

输出电压由电阻分压器根据公式 (V_{OUT }=0.8 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right)) 设置，外部电阻分压器连接到输出，可实现远程电压感测。

3. 运行/软启动功能

RUN/SS引脚具有软启动和关闭LTC1707的双重功能。内部2.25µA的电流源对外部电容器 (C_{SS}) 充电，当RUN/SS引脚电压达到0.7V时，LTC1707开始工作。随着RUN/SS引脚电压从0.7V上升到1.8V，内部电流限制也按比例线性增加。将RUN/SS引脚拉低至0.4V以下，LTC1707进入低静态电流关机状态。

4. 效率考虑

开关稳压器的效率等于输出功率除以输入功率再乘以100%。LTC1707电路中的主要损耗来源是 (V{IN}) 静态电流和 (I^{2} R) 损耗。 (V{IN}) 静态电流在极低负载电流时主导效率损失，而 (I^{2} R) 损耗在中高负载电流时主导效率损失。其他损耗包括 (C{IN}) 和 (C{OUT}) 的ESR耗散损耗、MOSFET开关损耗以及电感磁芯和铜损耗，通常总额外损耗小于2%。

5. 瞬态响应检查

可以通过观察负载瞬态响应来检查调节器环路响应。开关稳压器需要几个周期来响应负载电流的阶跃变化。负载阶跃发生时， (Vout) 会立即偏移一个等于 ((Delta l{LOAD} cdot ESR)) 的量， (Delta I{LOAD}) 也会开始对 (C{OUT}) 充电或放电，产生反馈误差信号，调节器环路会将 (Vout) 恢复到稳态值。在此恢复过程中，可以监测 (V{OUT}) 是否有过冲或振铃，以判断是否存在稳定性问题。内部补偿通常能满足大多数应用的需求，但如果需要额外补偿，可以使用 (I_{TH}) 引脚进行外部补偿。

6. PCB布局检查

在进行印刷电路板布局时，需要注意以下几点：

• 信号地和功率地应分开，信号地包括电阻分压器、可选的补偿网络（ (R{C}) 和 (C{C 1}) ）、 (C{SS}) 、 (C{REF}) 和 (C{C 2}) ，功率地包括 (C{IN}) 的负极板、 (Cout) 的负极板和LTC1707的引脚4。功率地走线应短、直且宽，信号地和功率地应在星型接地配置中汇聚到一个公共节点。
• (VFB) 引脚应直接连接到反馈电阻，电阻分压器R1/R2应连接在 (C_{OUT}) 的正极板和信号地之间。
• (C_{IN}) 的正极板应尽可能靠近 (VIN) 连接，该电容器为内部功率MOSFET提供交流电流。
• 开关节点SW应远离敏感的小信号节点。

五、设计示例

假设我们要设计一个基于LTC1707的电源电路，输出电压为3.3V，最大负载电流为500mA。首先，根据输出电压公式 (V_{OUT }=0.8 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right)) ，可以计算出电阻分压器的阻值。然后，根据负载电流和输入电压范围，选择合适的电感值和电容值。在布局方面，严格按照PCB布局检查要点进行设计，确保电路的稳定性和性能。

通过以上对LTC1707的详细分析，相信大家对这款同步降压开关稳压器有了更深入的了解。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择外部元件，优化电路布局，以充分发挥LTC1707的性能优势。你在使用LTC1707的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。