超低温环境中LTM4616稳压电路的改进与应用

汪选胜

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥230088）

0 引 言

稳压器LTM4616芯片是Linear公司生产的一款双路8A或单路16A输出的开关型DC／DC稳压器IC。该稳压器以LGA封装模式集成了开关控制器、功率MOSFT、电感器和全部支持元件，具有输出可编程、输出电压稳定、多模式操作、多相操作等优势，被广泛应用于通信、电子信息等多个领域的电源模块设计中。

随着电子技术的发展，复杂化程度不断升高，现代设备对于环境的抗干扰性要求越来越高。LTM4616稳压器的输入电压范围2.375～5.5 V，输出电压为0.6～5 V，在环境温度－40℃～125℃条件下总的DC输出误差为±1.75%。由此可知，－40℃是LTM4616正常稳定工作的一个临界环境温度，其特性存在一定的特殊性。因此，对LTM4616芯片在超低温－40℃环境下的稳定工作进行深入研究具有很重要的意义。

本文首先针对实际应用中稳压器LTM4616芯片给嵌入式芯片FPGA提供0.9 V的启动电压进行了常规的输入输出电路设计，使其在常温条件下正常稳定工作。同时，在超低温－40℃环境下论证该电路可能存在的缺陷，提出相应的改进方法，最后通过具体的实验验证了该改进方法的可行性与优越性，可以广泛应用于工作于超低温环境下的稳压电路设计。

1 稳压器常温工作的输入输出电路设计［1⁃2］

在通信、电子信息等领域中，嵌入式系统常常作为主要的控制电路，其核心是稳定工作的嵌入式FPGA芯片。本文以Altera公司的EPCS128系列芯片为例进行供电电路设计。由于EPCS128系列芯片的核电压为0.9 V，控制板输入电压为3.3 V，因此利用稳压器LTM4616芯片设计FPGA的启动电源电路，其输入为3.3 V，输出为0.9 V。具体电路设计如图1所示。

图1 LTM4616电源输入输出电路图

在图1设计的LTM4616的外围配置电路中，3个配置电阻（R494、R495、R489）的阻值和3个配置电容（C780、C787、C788）的容值将直接决定输出电压“TFVCC0.9 V”和输出信号“PDOODVCC0.9”是否正确。

首先，分析以上3个配置电阻。LTM4616输出端“FB1、FB2”等效配置电阻RFB与输出电压Vout的配置关系如下式所示：

其中，N为1路或2路输出，当只有1路输出时N取1，而当有2路并接输出时N取2，因此在本例中N取2。

根据并联电阻的阻值计算公式，得出图1中输出端“FB1、FB2”等效配置电阻RFB为

当配置电阻的等效阻值为“8.925 kΩ”时，根据式（1），LTM4616模块输出电压“TFVCC0.9 V”为

在实际要求中，EPCS128系列芯片的核电压为0.9 V，稳压器电压转换的输出电压“TFVCC0.9 V”应为0.9 V，按照±10%的电压值容错范围，即0.9 V×90%～0.9 V×110%为0.81～0.99 V。因此，上述计算的电压值在该范围值中，即3个配置电阻R494、R495、R489的取值正确。

其次，分析配置电容C780、C787、C788的容值选择。根据LTM4616稳压器的技术说明书，输出电容的容值取决于输出电压的大小，当输出电压为1.0 V时3个配置电容应选配470μF。结合LTM4616模块的典型电路，设计出图1所示的雷达典型电路。

综上所述，针对具体的LTM4616模块给嵌入式芯片FPGA供电的电路设计，均选择了正确的外围配置电阻与电容。实际应用该电路，随机抽取300个样本，统计得到在常温条件下100%样本的输出电压“TFVCC0.9 V”稳定、正常，输出控制信号“PDOODVCC0.9”稳定、正常。

2 超低温环境中稳压器配置电路的改进

上述随机抽取的300个电路样本放置于－40℃的环境试验箱中，并保持、存储2 h以上后通电，以确保LTM4616电源电路在超低温环境中启动工作。

根据LTM4616模块的技术说明书［2］，当输出电压小于或超出电压值10%范围时，PGOOD信号会被拉到“GND”，导致出现异常信号，而输出电压出现波动超出范围主要是由电压纹波过大引起的。因此，输出电压纹波正常范围为＜500 mV，而输出电压纹波的大小则是由3个配置电容决定的。

在试验中，分别统计所有样本电路的输出电压值、输出电压纹波、输出端震荡情况、输出控制信号及电路性能指标，以便于分析该设计电路的稳定性。鉴于测试样本较多，仅列出样本中随机抽取的10组样本测试结果，见表1。

针对现代设备对环境的抗干扰性要求，本课题将

表1 原样本电路超低温测试结果

300个样本电路测试数据统计结果表明，在超低温环境中，LTM4616电源模块电路存在5%的故障率，表现为输出控制信号PGOOD异常，不满足电路设计要求。因此，在原设计电路中，超低温条件下的故障率虽然较低，但仍表现为3个配置电容的选择存在一定的缺陷。

针对配置电容的缺陷，为抑制输出电压纹波的大小，设计如图2所示的雷达电路图，在输出端加入100 μF的电容，将超低温环境下的输出纹波保持在稳定、可靠的范围内。

再次对300个样本重复上述试验，再次统计测试结果。鉴于测试样本较多，也仅列出样本中随机抽取的10组样本测试结果，见表2。

300个改进样本电路测试数据统计结果表明，在超低温环境中，输出纹波在正常范围内，LTM4616电源模块电路故障率为0%，输出电压正常，输出控制信号正常，表明改进的LTM4616电源模块电路能够在超低温环境中稳定地正常工作，对环境具备良好的抗干扰性和适应性。

图2 LTM4616改进型电路图

表2 改进电路超低温测试结果

3 结束语

稳压器LTM4616模块提供稳定的输出电源，是电路板正常工作的前提。本课题针对实际应用中LTM4616给嵌入式芯片FPGA的供电要求，设计了相应的输入输出电路，并论证了该方案在常温条件下的合理性。同时，使LTM4616供电电路工作于－40℃的超低温环境中，采集了相应的样本数据，结果显示该电路具有较小的故障率。为提高LTM4616的环境适应性，本课题改进了LTM4616的典型配置电路。超低温实验结果表明，改进后的电路具有稳定的工作性能及良好的环境抗干扰能力，体现了其可靠性与实用性。