L5985：高效降压开关稳压器的设计与应用

在电子设备的电源管理领域，降压开关稳压器是一种常见且关键的元件。今天，我们就来深入探讨一下ST公司的L5985降压开关稳压器，了解它的特性、功能以及在实际应用中的设计要点。

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一、L5985概述

L5985是一款具有2.5A（最小值）电流限制嵌入式功率MOSFET的降压开关稳压器，能够根据应用条件向负载提供高达2A的直流电流。它采用VFQFPN8 3mm x 3mm封装，具有诸多出色的特性：

• 宽输入电压范围：输入电压范围为2.9V至18V，适用于多种电源场景，尤其适合3.3V总线。
• 可调输出电压：输出电压可从0.6V开始调节至输入电压 (V_{IN})。
• 可编程开关频率：内部开关频率为250kHz，可通过外部电阻将频率编程至最高1MHz。
• 多种保护功能：具备过流和热保护功能，确保设备在异常情况下的安全运行。
• 低功耗运行：支持零负载电流运行，在待机状态下可降低功耗。

二、引脚设置与功能

引脚连接与描述

L5985的引脚连接清晰明了，每个引脚都有其特定的功能：	引脚编号	引脚类型	描述
1	OUT	稳压器输出
2	SYNCH	主/从同步引脚。浮空时，该引脚会出现与电源开启相位相差半个周期的信号；连接到高于内部频率的外部信号时，设备将与外部信号同步，相位差为零。
3	INH	逻辑信号（高电平有效）用于禁用设备。当INH高于1.9V时，设备关闭；低于0.6V时，设备开启。
4	COMP	误差放大器输出，用于环路频率补偿
5	FB	反馈输入。将输出电压直接连接到该引脚，输出电压将被调节为0.6V；如需更高的调节电压，则需要从 (V_{out}) 到FB引脚连接外部电阻分压器。
6	FSW	可通过连接外部电阻到地来增加开关频率。浮空时，设备以250kHz的自由运行频率工作。
7	GND	接地
8	VCC	未调节的直流输入电压

三、电气特性

输入输出特性

• 输入电压范围：工作输入电压范围为2.9V至18V，开启阈值为2.9V，具有0.175 - 0.3V的滞后电压。
• 输出电压：反馈电压在2.9V < (V_{CC}) < 18V时为0.593 - 0.607V。

  开关频率与占空比

• 开关频率：内部振荡器的开关频率为225 - 275kHz，可通过外部电阻调节至最高1MHz。
• 占空比：占空比范围为0 - 100%。

  其他特性

• 静态电流：静态电流为2.4mA，待机静态电流为20 - 30μA。
• 软启动时间：软启动持续时间与开关频率有关，例如在250kHz的开关频率下，软启动时间约为8ms。

四、功能描述

振荡器与同步

内部振荡器提供恒定频率的时钟，其频率取决于连接到FSW引脚的外部电阻。通过电压和频率前馈，可保持PWM增益恒定。SYNCH引脚用于产生同步信号，可实现多个设备的同步运行，减少输入电容中的RMS电流。

软启动

软启动对于降压转换器的正确和安全启动至关重要。它通过在误差放大器的同相输入端施加阶梯斜坡来避免浪涌电流，并使输出电压单调增加。软启动时间和输出电压的上升速率取决于开关频率。

误差放大器与补偿

误差放大器提供误差信号，用于与锯齿波进行比较以实现脉冲宽度调制。根据输出电容的ESR值，可选择不同类型的补偿网络（II型或III型）来确保系统的稳定性和良好的动态性能。

过流保护

L5985通过检测功率MOSFET中的电流来实现过流保护。在导通时间的初始阶段，电流检测被禁用，以避免误判。当检测到过流时，根据不同的工作条件，设备会采取不同的保护策略，如“打嗝”模式或脉冲跳过模式。

抑制功能

INH引脚可用于将设备置于待机模式，当INH引脚电压高于1.9V时，设备禁用，功耗降低至小于30μA；低于0.6V时，设备启用。

热关断

当结温超过150°C时，热关断模块会关闭功率级；当结温降至约130°C时，设备恢复正常运行。

五、应用信息

输入电容选择

输入电容需要能够承受最大输入工作电压和设备所需的最大RMS输入电流。为了提高系统效率，输入电容的RMS电流额定值应高于最大RMS输入电流，且ESR值应符合预期效率要求。

电感选择

电感值决定了输出电容中的电流纹波。为了获得预期的电流纹波，应选择合适的电感值，通常电流纹波应控制在输出电流的20% - 40%。

输出电容选择

输出电容的选择应考虑电压纹波和系统稳定性。电压纹波由电容的容性和电阻性分量共同决定，在选择电容时，需根据应用要求确保电压纹波符合标准。同时，输出电容对于系统的稳定性也至关重要，它会影响LC滤波器的极点和零点。

补偿网络

补偿网络的选择取决于输出电容的ESR值。当ESR引入的零点频率高于期望带宽时，应使用III型补偿网络；当ESR引入的零点频率低于期望带宽时，II型补偿网络可用于稳定环路。

热考虑

热设计对于防止设备因结温过高而热关断至关重要。设备的功率损耗主要包括传导损耗、开关损耗和静态电流损耗。通过合理的散热设计，可确保设备在正常工作温度范围内运行。

布局考虑

PC板布局对于降低噪声和干扰至关重要。在降压转换器中，输入环路是最关键的部分，应尽量缩短以减少EMI。反馈引脚的连接应远离高电流路径，以减少干扰。同时，大面积的接地平面有助于降低热阻，提高转换器的热性能。

六、总结

L5985降压开关稳压器以其宽输入电压范围、可调输出电压、可编程开关频率和多种保护功能，成为电子设备电源管理的理想选择。在实际应用中，通过合理选择外部元件和优化布局设计，可以充分发挥L5985的性能，确保系统的稳定性和可靠性。希望本文对电子工程师在使用L5985进行设计时有所帮助，大家在实际应用中遇到问题时，不妨多参考本文的内容，结合实际情况进行调整。你在使用L5985过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。