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极小尺寸的双路高效率降压DC/DC——ADI uModule稳压器LTM4691实测

  • 2021-09-06 09:46
  • javike

    LV.3
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  • 随着电子技术和物联网的高速发展,越来越多的产品加入可数字化控制,包括电信、网络、工业设备……等,各种终端设备体积越来越小的同时,其核心控制器DSP、FPGA、ASIC和其他组件的供电要求也越来越苛刻,供电系统不仅要求高效率,同时体积尺寸也要求越来越小。

    ADI推出极小尺寸的双路高效率降压稳压器LTM4691,其具备双路2A的电流输出,同时包含开关控制器、功率管、电感和所有配套的元件,尺寸仅为3mmX4mm。

    Excelpoint世健作为一家技术型授权代理商,凭借强大的R&D和FAE技术团队,与ADI密切合作,此次为我们推荐了ADI的这款LTM4691控制器,我们将做一个全面的实测,来揭秘它的超高性能。

    LTM4691每路输出可提供2 A电流,并且只有几个小电容和电阻。µModule稳压器包括内部反馈环路补偿,可减小额外元件的数量和尺寸。开关频率默认为2 MHz,没有任何外部元件或输入,但可以同步到1 MHz至3 MHz外部时钟。为尽可能提高反馈环路的性能,只需添加几个小外部电容就可完成内部补偿的环路——从而产生足够的稳定裕量和出色的瞬态响应性能。其他 特性包括PGOOD信号、输出过压保护、过热保护、精密运行阈值和输出短路保护。

    LTM4691能够通过2.25 V至3.6 V输入电压为每通道提供2 A连续输出电流。采用3 mm × 4 mm × 1.18 mm小型LGA封装。封装中包含开关控制器、功率FET、电感和所有支持元件。每个输出可通过电阻独立设置的可编程电压范围为0.5 V至2.5 V。

    接下来看看效率表现:

    先对1.8V输出的这一路单独输出做效率曲线测试

    输入电压从2.4V到3.6V扫描(0.1V步进),输出电流从0.1A到2A满载(0.1A步进)。

    最高效率达到了91.8左右%

    再看看1.2V这一路单独输出的效率:

    还是采用相同的步进值,1.2V的电压比1.8V更低,满载功率也会低点,效率仍然达到了88%以上。

     再看看2路同时加载的效率:

    由于2路同时加载,自动测试软件识别不到其连线,都是数据点,接下来对数据进行整理:

    采用相同的电流步进,所以还是用电流值作为坐标轴统计效率曲线。

    在2路同时加载时,总功率比之前的单路要更大,最高效率也达到了92.86%

     

    再统计一下在常用的额定3.3V输入下的效率表现:

    曲线中All表示的是2路同步加载。

    效率也达到了91.3%

    另外,LTM4691在BURST模式下可以提高轻载效率,下面看看BURST模式的效率表现:

    还是先对1.8V输出的这一路单独输出做效率曲线测试

    输入电压从2.4V到3.6V扫描(0.1V步进),输出电流从2mA到2A满载。

    从结果效率曲线中看,轻载效率提升非常明显,最高效率达到了94.04%

     

    再看看1.2V这一路单独输出的效率:

    在1.2V的输出下,效率仍然达到了90.5%

    再看看两路同时带载的效率:

    2路同时加载时,在轻载的效率表现也是非常优秀的,由于电子负载在2A满载的量程范围内最小电流就是2mA,所以没有对更小的电流进行测量,有兴趣的朋友可以去继续深挖哦,输入2.5V负载2mA时达到了92.5%的效率,在负载50mA时也接近92.5%的效率。

     

    再统计一下在常用的额定3.3V输入下的效率表现:

    这时的效率曲线与前面有点翻转了,轻载时2路同时带载(ALL)的效率起点都在88%左右,但随着负载的加大,1.8V单路带载的效率更加优异,而且最高效率达到了92.15%

    如此高的集成度,而且在极小的体积和2MHZ的开关频率下,能保持如此高的效率确实很优秀。

    无论是对于网络通讯还是数字处理器来说,纹波要求也是必须的,接下来看看纹波的表现:

    采用1:1的普通探头直接测量板端纹波,虽然探头已经采用接地弹簧做了最短路径,所有没有额外并联电容。但对于实际系统的供电,比如DSP,FPGA的供电,这个PCBA上的路径其实已经很长了。

     

    看看LTM4691的表现吧。

    在1.2V和1.8V两路输出全部满载的情况下,输出纹波峰峰值只有10mV左右。

    表现相当不错哦。

    另外,对于严苛的系统核心供电,其动态要求也需要满足,接下来看看LTM4691的动态效果:

    直接将电子负载的电流斜率设置为Max(4.8A/uS),频率1KHZ,空载与满载切换。

    从波形中可以看出,两路同时空载与满载切换时,输出电压波动均在±30mV左右,动态响应发现棒,这得益于其高达2MHZ的开关频率。

     

    当然了,严苛的工作环境也是需要满足的,接下来看看温升的表现:

    在26度的环境内(无强制对流空调室内),最高工作温度只有31.4度,这个温升表现非常好了。

    附上DEMO的电路图:

    最后总结一下:

    ADI的LTM4691在3mmX4mm的极小尺寸下集成了控制器、电感和功率管,并且在高达2MHZ的开关频率下,保持着高达92%的效率,同时还具备优秀的动态性能超低的输出纹波。非常适合紧密的空间设计需求,包括各种处理器、传感器、网络通讯以及工业设备的供电。

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  • 天府大懒猫

    LV.1

    2021-09-07 17:29

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    这种DCDC基本属于专用芯片了,常规基本用不到,适合于给DSP、FPGA等内核供电,适用于空间极度受限、成不不敏感的地方,电压设置能够做成可编程配置的就更好,或者内部固定一颗电阻,外部只通过一颗电阻来配置输出电压,一般常用的电压就那么几种,不需要特别灵活,这样能够更进一步减少整体布局体积

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  • 鲁珀特

    LV.1

    2021-09-07 20:23

    @

    从功率密度来说提高很大,在如此大小的体积上做到那么大的输出实属不易,而且看测试曲线,动态响应很快,外围搭建也很简单,如果可编程范围提高到5.5V将会有更大的应用空间。

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  • EMC小白

    LV.1

    2021-09-07 21:26

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    想咨询下这款芯片的负载能力,输出效率和输入电压关系是什么,此外,有哪些保护,短路保护的时间是多少,有大批量产了么,谢谢
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  • beyond0510

    LV.1

    2021-09-07 22:02

    @

    LMT4691开关频率可达2M Hz,开关瞬间的过冲,高频噪声有多大?器件采用3 mm × 4 mm × 1.18 mm小型LGA封装。在满载的情况下,器件的温升有多个?需要加一些散热方式不?
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  • zjttjz0823

    LV.1

    2021-09-08 09:45

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    这款芯片的双路电压调整率如何?工作温度范围是商用级还是工业级?能做到车规级吗?
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  • javike

    LV.1

    2021-09-08 17:28

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    已更新纹波测试

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  • dy-xq5gLF1q

    LV.1

    2021-09-08 20:18

    @

    确实很高功率密度的方案

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  • zslzsl945

    LV.1

    2021-09-09 20:54

    @

    两路负载电流不一致时对应两路输出的负载稳定性如何?当其中一路负载电流突变时,另一路输出电压会不会抖动?

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  • 星球居民-NsHYviRa

    LV.1

    2021-09-13 09:10

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    想了解下这个集成电感的设计参数是去如何的?是否需要考虑直流偏置性能,具体用哪些材质设计比较合适?
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  • dy-BYXP5mc2

    LV.1

    2021-09-13 09:11

    @

    体积小,效率高,动态好,纹波低,1.2v2A,1.8V2A两路同时带载裸板温升5.4度,是满载吗,底部焊盘散热有多大面积?EMC测试了吗,这个在产品中也很关键。
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