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低压双8A输出开关型DC/DC稳压器μModule LTM4616及其应用

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摘要:LTM4616是一种集开关控制器和功率MOSFET、电感器、电容器等支持元件于同一封装内的DC/DC稳压器μModule,可提供双8A/单16A输出。多个LTM4616可以级联应用多相操作,提供更大的输出电流。本文介绍了LTM4616的结构、功能特点及其应用电路。

关键词:LTM4616;双相DC/DC稳压器;低压大电流;电压跟踪;扩展频谱;突发模式;脉冲跳越

1、引言

LTM4616是凌力尔特(Linear Technology)推出的一种双输出独立非隔离开关型DC/DC电源稳压器系统。

LTM4616输入电压范围为2.375~5.5V,输出电压为0.6~5V,提供双路8A/单路16A输出。LTM4616集成了恒频电流模式稳压器,典型开关频率是1.5MHz,可以同步到外部0.75~2.25MHz频率上。LTM4616的应用领域包括电池供电设备、电信和网络及工业设备、存储和ATCA、PCI Express卡等。

2、μModule LTM4616的结构及其特点

LTM4616采用15mm×15mm×2.8mm的表面贴装LGA封装,这种封装是不含铅的,与RoHS法规相容,其引脚排布如图1所示。

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图1  LTM4616的引脚排布

LTM4616 μModule含有集成开关控制器、高速开关功率MOSFET和电感器、电容器等支持元件,简化的内部结构框图如图2所示。

 

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图2   LTM4616内部结构简化图

LTM4616的各个引脚功能如表1所列。

表1  LTM4616引脚功能简述

 

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LTM4616 μModule的主要特点如下:

(1)LTM4616是一个双DC/DC稳压器系统,输入电压范围为2.375~5.5V,输出电压在0.6~5V的范围内可编程,通过输入和输出的不同组合,可以双路输出8A、单相输出16A的电流(见表2)

表2  输入与输出的不同组合

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(2)采用电流模式控制,带内部反馈环路补偿,提供快速瞬态响应。
  
(3)提供输出电压跟踪和容限(Margining)。
  
(4)可选择突发模式和脉冲跳越模式及扩展频谱操作。
  
(5)提供输出过电流、过电压和热关闭保护。
  
(6)易于实现多相(多达12相)操作。

3、LTM4616功能原理及应用介绍

3.1  输出电压编程

由LTM4616组成的简单双输出DC/DC稳压器电路如图3所示。稳压器每个输出可由引脚FB与ITHM之间的电阻RFB来设置: [p]

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不同RFB值对应的VOUT值如表3所示。

表3

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图3  基于LTM4616的简单双输出DC/DC稳压器电路

在图3中,由于RFB1=2.21K,RFB2=3.09K,所以VOUT1=3.38,VOUT2=2.5V。

图4所示为稳压器效率与负载电流之间的关系曲线。

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图4   效率与负载电流之间关系曲线

在N个LTM4616的并联应用中,每个并联输出的FB脚可以连接在一起,在此情况下,RFB值为:

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图5   LTM4616两个输出并联应用电路

在图5所示的LTM4616两个输出并联应用电路中,由于N=2,VOUT=1.5V,根据(2)式可得:

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选择RFB=3.32KΩ。

3.2  突发模式操作

在非常轻的负载上,LTM4616能够进入突发模式,使每个稳压器的功率MOSFET间歇性操作,从而节省静态电流。为了使LTM4616进入突发模式,必须将IC的MODE引脚VIN。在突发模式操作,峰值电感电流被设置在正常操作时最大峰值电流的20%左右,内部一部分电路关断,每个通道静态电流减小到450μA左右。

3.3  脉冲跳越模式操作

在低输出负载上,LTM4616可以在脉冲跳越模式操作跳越周期,以减小开关损耗,提高效率。为使LTM4616能够进入脉冲跳越操作,必须浮置引脚MODE或将其连接到VIN/2。

3.4  强制连续操作

在固定频率应用中,为了有最小的输出纹波,可以将LTM4616的引脚MODE接地,强制其在连续模式操作。在该模式操作,在低输出负载期间,允许电感电流反向,ITH脚上的电压是在电流比较器门限穿过的控制之内,并且上面的MOSFET总是随每个振荡器脉冲而导通。在启动期间,强制连续模式操作将被禁止。

3.5  扩展频谱操作 [p]

为避免在固定频率上操作产生较大的噪声,可将LTM4616的引脚CLKIN连接到SVIN,使其在扩展频谱模式运行,振荡器频率被固定在正常工作频率的30%与130%之间,使开关噪声扩展到较大的频率范围上,可以充分减小噪声峰值。若将LTM4616的引脚CLKIN接地,或者该引脚被一个外部频率同步信号驱动,扩展频谱操作将被禁止。

3.6  输出电压跟踪

利用LTM4616的TRACK脚可以编程在启动期间的输出电压斜坡和电压跟踪。图6所示是输出电压同时发生跟踪的实际电路。在图6中,主调节器的TRACK1脚由RSR和CSR控制,RC斜坡时间由(3)式可编程:

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图6   带跟踪的双输出稳压器电路

TRACK脚上的控制电压范围为0~0.596V,主稳压器TRACK1上的压摆率与主输出的压摆率MR是相等的。当从属稳压器与主稳压器输出同时发生跟踪时,从属输出压摆率SR与主输出上的压摆率MR相等。由于LTM4616引脚FB与VOUT之间在内部连接一个10kΩ的电阻,在TRACK2脚上的分压电阻RTA/RTB与FB2上分压电阻应当相同,因此,RTB=10Kω,RTA=6.65kΩ。图7示出了主/从输出电压同时发生跟踪的示图。

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图7  输出电压同时跟踪

在应用中如果不需要跟踪或定序(sequencing),应将TRACK脚连接到SVIN,让引脚RUN去控制通/断。当将引脚RUN拉低到1.3V以下时,将强制稳压器进入到关闭模式,两个MOSFET截止。

3.7  输出电压容限

LTM4616支持输出电压容限(margining),利用引脚MGN和BSEL可以编程每路输出为其正常工作电压的±5%、±10%或±15%。当引脚MGN为低电平时,将强制负容限,即输出电压低于调节点;当MGN脚为高电平时,迫使输出电压在调节点之上。输出电压容限量由引脚步BSEL确定。当BSEL为低电平时,裕度为5%;当BSEL为高电平时,裕度是10%;当BSEL浮置时,裕度为15%。当容限功能被激活时,LTM4616内的过电压和欠电压比较器截止。

3.8  多相操作

为输出8A以上的电流,LTM4616的两个输出或多个LTM4616可以级联在一起,这并不会增加输入和输出电压纹波。将LTM4616的PHMODE脚连接到SVIN、SGND或SVIN/2(悬空),可能相应在CLKIN和CLKOUT引脚之间产生180°、120°或90°的相位差,分别在2相、3相或4相操作。图8所示是LTM4616在6相操作的例子。图9示出了12相操作的配置。

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图8   6相操作

 

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图9  12相操作

多相操作可以充分衰减输入和输出电容上的纹波电流量,RMS输入纹波电流和输出纹波幅度均依据所使用的相数而减小,如图10所示。

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图10   1~6相操作输入RMS纹波电流与占空因数之间的关系

带输出电压跟踪特性的4相稳压器电路如图11所示。该电路的输入电压为4~5.5V,4路输出分别为3.3V/7A、2.5V/8A、1.8V/8A和1.5V/8A。

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图11  带电压跟踪的4相(4输出)稳压器电路

 

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图12  输出1.2V/32A的并联4相稳压器电路

图12所示为4相并联输出1.2V/32A的稳压器电路。LTM4616的引脚MGN连接一个由三态选通运放A1(TC75Z126AFF)驱动的分压器(R1/R2),提供三种容限状态(即H、L和无容限),在MGN为高电平(H)时,BSEL选择正值;当MGN为低电平(L)时,BSEL为负值。在引脚BSEL为L、H和悬空时,容限值分别为5%、10%、15%。

4、结束语

LTM4616是一种低压大电流输出开关型DC/DC稳压器微模块(μModeleTM)。在小型LGA无铅封装中,含有开关型控制器芯片、功率MOSFET及电感器、电容器等支持元件。由其可以在突出模式、脉冲跳越和扩展频谱模式操作,故在轻载下有非常高的效率,减小了开关噪声。LTM4616采用电流模式控制,提供输出过电压、过电流和热关闭保护,从而提高了系统的可靠性。

参考文献
  
1、Linear Technology. Dual 8A per Channel Low VIN DC/DC Module. Datasheet, 2008.
  
2、娄静. 两相双降压开关控制器LT3742及其应用[J] . 电子世界,2008(7):8-10.


 

 

 

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