超低溫環境中LTM4616穩壓電路的改進與應用

汪選勝

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088）

0 引 言

穩壓器LTM4616芯片是Linear公司生產的一款雙路8A或單路16A輸出的開關型DC／DC穩壓器IC。該穩壓器以LGA封裝模式集成了開關控制器、功率MOSFT、電感器和全部支持元件，具有輸出可編程、輸出電壓穩定、多模式操作、多相操作等優勢，被廣泛應用于通信、電子信息等多個領域的電源模塊設計中。

隨著電子技術的發展，復雜化程度不斷升高，現代設備對于環境的抗干擾性要求越來越高。LTM4616穩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正常穩定工作的一個臨界環境溫度，其特性存在一定的特殊性。因此，對LTM4616芯片在超低溫－40℃環境下的穩定工作進行深入研究具有很重要的意義。

本文首先針對實際應用中穩壓器LTM4616芯片給嵌入式芯片FPGA提供0.9 V的啟動電壓進行了常規的輸入輸出電路設計，使其在常溫條件下正常穩定工作。同時，在超低溫－40℃環境下論證該電路可能存在的缺陷，提出相應的改進方法，最后通過具體的實驗驗證了該改進方法的可行性與優越性，可以廣泛應用于工作于超低溫環境下的穩壓電路設計。

1 穩壓器常溫工作的輸入輸出電路設計［1?2］

在通信、電子信息等領域中，嵌入式系統常常作為主要的控制電路，其核心是穩定工作的嵌入式FPGA芯片。本文以Altera公司的EPCS128系列芯片為例進行供電電路設計。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，因此利用穩壓器LTM4616芯片設計FPGA的啟動電源電路，其輸入為3.3 V，輸出為0.9 V。具體電路設計如圖1所示。

圖1 LTM4616電源輸入輸出電路圖

在圖1設計的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的配置關系如下式所示：

其中，N為1路或2路輸出，當只有1路輸出時N取1，而當有2路并接輸出時N取2，因此在本例中N取2。

根據并聯電阻的阻值計算公式，得出圖1中輸出端“FB1、FB2”等效配置電阻RFB為

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

在實際要求中，EPCS128系列芯片的核電壓為0.9 V，穩壓器電壓轉換的輸出電壓“TFVCC0.9 V”應為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LTM4616穩壓器的技術說明書，輸出電容的容值取決于輸出電壓的大小，當輸出電壓為1.0 V時3個配置電容應選配470μF。結合LTM4616模塊的典型電路，設計出圖1所示的雷達典型電路。

綜上所述，針對具體的LTM4616模塊給嵌入式芯片FPGA供電的電路設計，均選擇了正確的外圍配置電阻與電容。實際應用該電路，隨機抽取300個樣本，統計得到在常溫條件下100%樣本的輸出電壓“TFVCC0.9 V”穩定、正常，輸出控制信號“PDOODVCC0.9”穩定、正常。

2 超低溫環境中穩壓器配置電路的改進

上述隨機抽取的300個電路樣本放置于－40℃的環境試驗箱中，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境中啟動工作。

根據LTM4616模塊的技術說明書［2］，當輸出電壓小于或超出電壓值10%范圍時，PGOOD信號會被拉到“GND”，導致出現異常信號，而輸出電壓出現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。

在試驗中，分別統計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，以便于分析該設計電路的穩定性。鑒于測試樣本較多，僅列出樣本中隨機抽取的10組樣本測試結果，見表1。

針對現代設備對環境的抗干擾性要求，本課題將

表1 原樣本電路超低溫測試結果

300個樣本電路測試數據統計結果表明，在超低溫環境中，LTM4616電源模塊電路存在5%的故障率，表現為輸出控制信號PGOOD異常，不滿足電路設計要求。因此，在原設計電路中，超低溫條件下的故障率雖然較低，但仍表現為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，設計如圖2所示的雷達電路圖，在輸出端加入100 μF的電容，將超低溫環境下的輸出紋波保持在穩定、可靠的范圍內。

再次對300個樣本重復上述試驗，再次統計測試結果。鑒于測試樣本較多，也僅列出樣本中隨機抽取的10組樣本測試結果，見表2。

300個改進樣本電路測試數據統計結果表明，在超低溫環境中，輸出紋波在正常范圍內，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，表明改進的LTM4616電源模塊電路能夠在超低溫環境中穩定地正常工作，對環境具備良好的抗干擾性和適應性。

圖2 LTM4616改進型電路圖

表2 改進電路超低溫測試結果

3 結束語

穩壓器LTM4616模塊提供穩定的輸出電源，是電路板正常工作的前提。本課題針對實際應用中LTM4616給嵌入式芯片FPGA的供電要求，設計了相應的輸入輸出電路，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℃的超低溫環境中，采集了相應的樣本數據，結果顯示該電路具有較小的故障率。為提高LTM4616的環境適應性，本課題改進了LTM4616的典型配置電路。超低溫實驗結果表明，改進后的電路具有穩定的工作性能及良好的環境抗干擾能力，體現了其可靠性與實用性。