汪選勝

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥230088）

0 引 言

穩(wěn)壓器LTM4616芯片是Linear公司生產(chǎn)的一款雙路8A或單路16A輸出的開關(guān)型DC／DC穩(wěn)壓器IC。該穩(wěn)壓器以LGA封裝模式集成了開關(guān)控制器、功率MOSFT、電感器和全部支持元件，具有輸出可編程、輸出電壓穩(wěn)定、多模式操作、多相操作等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于通信、電子信息等多個領(lǐng)域的電源模塊設(shè)計(jì)中。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜化程度不斷升高，現(xiàn)代設(shè)備對于環(huán)境的抗干擾性要求越來越高。LTM4616穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍2.375～5.5 V，輸出電壓為0.6～5 V，在環(huán)境溫度－40℃～125℃條件下總的DC輸出誤差為±1.75%。由此可知，－40℃是LTM4616正常穩(wěn)定工作的一個臨界環(huán)境溫度，其特性存在一定的特殊性。因此，對LTM4616芯片在超低溫－40℃環(huán)境下的穩(wěn)定工作進(jìn)行深入研究具有很重要的意義。

本文首先針對實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)壓器LTM4616芯片給嵌入式芯片F(xiàn)PGA提供0.9 V的啟動電壓進(jìn)行了常規(guī)的輸入輸出電路設(shè)計(jì)，使其在常溫條件下正常穩(wěn)定工作。同時，在超低溫－40℃環(huán)境下論證該電路可能存在的缺陷，提出相應(yīng)的改進(jìn)方法，最后通過具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該改進(jìn)方法的可行性與優(yōu)越性，可以廣泛應(yīng)用于工作于超低溫環(huán)境下的穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)。

1 穩(wěn)壓器常溫工作的輸入輸出電路設(shè)計(jì)［1?2］

在通信、電子信息等領(lǐng)域中，嵌入式系統(tǒng)常常作為主要的控制電路，其核心是穩(wěn)定工作的嵌入式FPGA芯片。本文以Altera公司的EPCS128系列芯片為例進(jìn)行供電電路設(shè)計(jì)。由于EPCS128系列芯片的核電壓為0.9 V，控制板輸入電壓為3.3 V，因此利用穩(wěn)壓器LTM4616芯片設(shè)計(jì)FPGA的啟動電源電路，其輸入為3.3 V，輸出為0.9 V。具體電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 LTM4616電源輸入輸出電路圖

在圖1設(shè)計(jì)的LTM4616的外圍配置電路中，3個配置電阻（R494、R495、R489）的阻值和3個配置電容（C780、C787、C788）的容值將直接決定輸出電壓“TFVCC0.9 V”和輸出信號“PDOODVCC0.9”是否正確。

首先，分析以上3個配置電阻。LTM4616輸出端“FB1、FB2”等效配置電阻RFB與輸出電壓Vout的配置關(guān)系如下式所示：

其中，N為1路或2路輸出，當(dāng)只有1路輸出時N取1，而當(dāng)有2路并接輸出時N取2，因此在本例中N取2。

根據(jù)并聯(lián)電阻的阻值計(jì)算公式，得出圖1中輸出端“FB1、FB2”等效配置電阻RFB為

當(dāng)配置電阻的等效阻值為“8.925 kΩ”時，根據(jù)式（1），LTM4616模塊輸出電壓“TFVCC0.9 V”為

在實(shí)際要求中，EPCS128系列芯片的核電壓為0.9 V，穩(wěn)壓器電壓轉(zhuǎn)換的輸出電壓“TFVCC0.9 V”應(yīng)為0.9 V，按照±10%的電壓值容錯范圍，即0.9 V×90%～0.9 V×110%為0.81～0.99 V。因此，上述計(jì)算的電壓值在該范圍值中，即3個配置電阻R494、R495、R489的取值正確。

其次，分析配置電容C780、C787、C788的容值選擇。根據(jù)LTM4616穩(wěn)壓器的技術(shù)說明書，輸出電容的容值取決于輸出電壓的大小，當(dāng)輸出電壓為1.0 V時3個配置電容應(yīng)選配470μF。結(jié)合LTM4616模塊的典型電路，設(shè)計(jì)出圖1所示的雷達(dá)典型電路。

綜上所述，針對具體的LTM4616模塊給嵌入式芯片F(xiàn)PGA供電的電路設(shè)計(jì)，均選擇了正確的外圍配置電阻與電容。實(shí)際應(yīng)用該電路，隨機(jī)抽取300個樣本，統(tǒng)計(jì)得到在常溫條件下100%樣本的輸出電壓“TFVCC0.9 V”穩(wěn)定、正常，輸出控制信號“PDOODVCC0.9”穩(wěn)定、正常。

2 超低溫環(huán)境中穩(wěn)壓器配置電路的改進(jìn)

上述隨機(jī)抽取的300個電路樣本放置于－40℃的環(huán)境試驗(yàn)箱中，并保持、存儲2 h以上后通電，以確保LTM4616電源電路在超低溫環(huán)境中啟動工作。

根據(jù)LTM4616模塊的技術(shù)說明書［2］，當(dāng)輸出電壓小于或超出電壓值10%范圍時，PGOOD信號會被拉到“GND”，導(dǎo)致出現(xiàn)異常信號，而輸出電壓出現(xiàn)波動超出范圍主要是由電壓紋波過大引起的。因此，輸出電壓紋波正常范圍為＜500 mV，而輸出電壓紋波的大小則是由3個配置電容決定的。

在試驗(yàn)中，分別統(tǒng)計(jì)所有樣本電路的輸出電壓值、輸出電壓紋波、輸出端震蕩情況、輸出控制信號及電路性能指標(biāo)，以便于分析該設(shè)計(jì)電路的穩(wěn)定性。鑒于測試樣本較多，僅列出樣本中隨機(jī)抽取的10組樣本測試結(jié)果，見表1。

針對現(xiàn)代設(shè)備對環(huán)境的抗干擾性要求，本課題將

表1 原樣本電路超低溫測試結(jié)果

300個樣本電路測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在超低溫環(huán)境中，LTM4616電源模塊電路存在5%的故障率，表現(xiàn)為輸出控制信號PGOOD異常，不滿足電路設(shè)計(jì)要求。因此，在原設(shè)計(jì)電路中，超低溫條件下的故障率雖然較低，但仍表現(xiàn)為3個配置電容的選擇存在一定的缺陷。

針對配置電容的缺陷，為抑制輸出電壓紋波的大小，設(shè)計(jì)如圖2所示的雷達(dá)電路圖，在輸出端加入100 μF的電容，將超低溫環(huán)境下的輸出紋波保持在穩(wěn)定、可靠的范圍內(nèi)。

再次對300個樣本重復(fù)上述試驗(yàn)，再次統(tǒng)計(jì)測試結(jié)果。鑒于測試樣本較多，也僅列出樣本中隨機(jī)抽取的10組樣本測試結(jié)果，見表2。

300個改進(jìn)樣本電路測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在超低溫環(huán)境中，輸出紋波在正常范圍內(nèi)，LTM4616電源模塊電路故障率為0%，輸出電壓正常，輸出控制信號正常，表明改進(jìn)的LTM4616電源模塊電路能夠在超低溫環(huán)境中穩(wěn)定地正常工作，對環(huán)境具備良好的抗干擾性和適應(yīng)性。

圖2 LTM4616改進(jìn)型電路圖

表2 改進(jìn)電路超低溫測試結(jié)果

3 結(jié)束語

穩(wěn)壓器LTM4616模塊提供穩(wěn)定的輸出電源，是電路板正常工作的前提。本課題針對實(shí)際應(yīng)用中LTM4616給嵌入式芯片F(xiàn)PGA的供電要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的輸入輸出電路，并論證了該方案在常溫條件下的合理性。同時，使LTM4616供電電路工作于－40℃的超低溫環(huán)境中，采集了相應(yīng)的樣本數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示該電路具有較小的故障率。為提高LTM4616的環(huán)境適應(yīng)性，本課題改進(jìn)了LTM4616的典型配置電路。超低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的電路具有穩(wěn)定的工作性能及良好的環(huán)境抗干擾能力，體現(xiàn)了其可靠性與實(shí)用性。