LM5009：宽输入范围、100V、150mA 降压型开关稳压器

LM5009：宽输入范围、100V、150mA 降压型开关稳压器

主要特性

• 集成 N 沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）
• 最大输出电流能力为 150 mA
• 具备超快速瞬态响应能力
• 无需外部环路补偿
• 前馈 VIN 输入确保恒定工作频率
• 开关频率可超过 600 kHz
• 具备高效率运行能力
• 在 -40°C 至 +125°C 温度范围内，2.5 V 反馈精度为 ±2%
• 内置启动调节器
• 智能限流保护机制
• 支持外部关断控制
• 具备热关断保护
• 提供 8 引脚 VSSOP 和散热增强型 8 引脚 WSON 封装

典型应用

• 替代传统线性稳压器中的散热片
• 适用于 12V、24V、36V 和 48V 整流交流系统
• 42V 汽车电源系统
• 非隔离式交流市电电荷耦合电源
• LED 电流源

产品概述

LM5009 是一款高性能降压型开关稳压器，能够在 9.5V 至 95V 的宽输入电压范围内提供高达 150mA 的输出电流。其开关频率可超过 600kHz，具体数值取决于输入与输出电压。输出电压可在 2.5V 至 85V 范围内调节。该器件集成了 N 沟道降压开关和内部启动稳压器，采用 8 引脚 VSSOP 和散热增强型 8 引脚 WSON 封装。

在高功率损耗场景下，LM5009 可作为高压单片或分立线性稳压器的替代方案。其控制机制基于导通时间与输入电压 VIN 成反比的原理，从而在负载和输入电压变化时保持工作频率的相对稳定。该控制方案无需外部环路补偿，具备快速瞬态响应能力。

LM5009 采用智能限流设计，其关断时间与输出电压 Vout 成反比，确保短路保护并最小化回缩效应。此外，还具备热关断、Vcc 欠压锁定、栅极驱动欠压锁定和最大占空比限制器等功能。

图1. 功能框图

功能描述

1. 控制电路概述

LM5009 是一款降压型 DC-DC 稳压器，其控制机制基于导通时间与输入电压 VIN 成反比的原理。控制电路通过比较器和单次导通时间，将输出电压反馈（FB）与内部 2.5V 基准进行比较。当 FB 电压低于基准时，降压开关导通一段由 VIN 和编程电阻 RON 决定的固定时间。

导通结束后，开关保持关断至少 300ns 的最小关断时间。若此时 FB 仍低于基准，则开关再次导通。此过程持续，直至达到稳压状态，此时关断时间根据所需占空比进行调整。

在轻载条件下，LM5009 以不连续导通模式（DCM）运行，电感电流在导通期间从零上升至峰值，随后在关断期间下降至零。工作频率低于连续导通模式（CCM），并随负载变化而变化。在轻载时，开关损耗减少，从而提高转换效率。

不连续模式下的工作频率可通过公式 1 计算：

其中 RL 为负载电阻。

在连续导通模式下，电感电流持续流动，不会降至零。此时工作频率高于 DCM 模式，并随负载和线路变化保持相对稳定。连续模式下的频率近似值可通过公式 2 计算：

输出电压 VOUT 由两个外部电阻设定，具体方法见功能框图部分。调节点可通过公式 3 计算：

稳压器通过反馈引脚的纹波电压调节输出电压，要求输出电容 C2 具有最小等效串联电阻（ESR）。对于 LM5009，FB 引脚需至少 25mV 的纹波电压。若 ESR 过小，可能需要增加串联电阻 R3。

对于需要低输出纹波的应用，可直接使用低 ESR 输出电容，如图 2 所示。但 R3 会略微影响负载调节性能。

图2. 低纹波输出配置

2. 高压启动调节器

LM5009 内置高压启动稳压器，VIN 引脚可直接连接至最高 95V 的线电压，瞬态承受能力可达 100V。内部电流限制为 9.5mA。上电后，稳压器向 VCC 外部电容 C3 提供电流。当 VCC 电压达到 6.3V 欠压锁定阈值时，降压开关启用。

在 VIN 较高的应用中，若 VCC 稳压器功耗成为问题，可将辅助电压二极管连接至 VCC 引脚。将电压设置在 8V 至 14V 之间可关闭内部稳压器，从而降低功耗，如图 3 所示。

图3. 自偏置配置

3. 调节比较器

FB 引脚的反馈电压与内部 2.5V 基准进行比较。在正常工作状态下，当 FB 电压低于 2.5V 时，启动导通周期。降压开关在设定的导通时间内保持导通，使 FB 电压升至 2.5V 以上。导通结束后，开关保持关断，直至 FB 电压再次低于 2.5V。

在启动过程中，每次导通结束时 FB 电压均低于 2.5V，从而实现最短关断时间。FB 引脚的偏置电流在整个温度范围内均小于 5nA。

4. 过压比较器

FB 引脚的反馈电压与内部 2.875V 基准进行比较。若 FB 电压超过 2.875V，导通时间脉冲立即终止。这种情况可能在输入电压或输出负载突变时发生。在 FB 电压降至 2.5V 以下之前，降压开关不会再次导通。

5. 定时发生器

LM5009 的导通时间由 RON 电阻决定，并与 VIN 成反比，因此频率几乎恒定。导通时间公式如下：

为确保电流限制功能正常，应选择 RON 使最小导通时间（在最大 VIN 下）大于 250ns。此要求限制了每种应用的最大频率。

6. 电流限制

LM5009 配备智能限流关断定时器。若降压开关电流超过 0.31A，当前周期立即终止，并启动不可重置的关断定时器。关断时间由外部电阻 RCL 和反馈电压 FB 控制。当 FB = 0V 时，关断时间最长，预设为 35µs，适用于输出短路或启动初期。

在非短路过载情况下，关断时间小于 35µs，以减少回流量、恢复时间和启动时间。关断时间公式如下：

电流限制检测电路在每次导通时间的前 50ns 至 70ns 内被屏蔽，以防止因再循环二极管 D1 关断恢复时的电流浪涌而误触发。

7. N 沟道降压开关和驱动器

LM5009 集成 N 沟道降压开关和浮动高压栅极驱动器。栅极驱动器与外部自举电容 C4 和内部高压二极管协同工作。在导通期间，C4 为驱动器提供电压。

在每个关断周期，SW 引脚电压约为 -1V，自举电容通过内部二极管从 VCC 充电。最小关断定时器确保每个周期内有足够时间对自举电容进行充电。降压开关关断后，外部再循环二极管 D1 承载电感电流。该二极管应为超快型或肖特基型，以减少导通损耗和电流过冲。

8. 热保护

LM5009 的结温不得超过 125°C。内部热关断电路可在结温过高时保护器件。当结温超过 165°C 时，控制器进入低功耗复位状态，禁用降压开关。当结温降至 140°C 以下（典型滞后温度为 25°C）时，恢复正常运行。

设备功能模式

如图 4 所示，通过将 RON/SD 引脚接地，可远程禁用 LM5009。该引脚电压范围为 1.7V 至 5V，具体取决于 VIN 和 RON 电阻值。

图4. 关机实施

应用信息

LM5009 是一款非同步降压调节器，适用于宽输入电压和输出电流范围。基于电子表格的快速启动计算工具和在线 WEBENCH® 软件可用于创建降压设计，生成物料清单、估算效率和完整解决方案成本。

典型应用

图 5 展示了一个典型降压应用电路，该电路可在 9.5V 至 95V 的宽输入电压范围内工作，并在负载电流从 50mA 到 200mA 之间提供 10V 的稳定输出。

图5. 典型降压应用电路

该做与不该做

为维持正常运行，需至少 1mA 的负载电流。若负载电流低于此值，自举电容在长时间关断期间可能放电，导致电路关闭或以低频循环开启和关闭。若应用中负载电流预计低于 1mA，应选择阻值足够低的反馈电阻，以确保在标称输出电压下提供所需最小电流。

电源建议

LM5009 适用于 9V 至 95V 的输入电压范围。输入电源需调节良好，并在峰值负载运行期间提供足够电流。此外，电源的源阻抗必须小于模块的输入阻抗，以确保转换器稳定。

布局指南

LM5009 的调节和过压比较器响应迅速，对短时噪声脉冲敏感。为实现最佳性能，布局设计至关重要。引脚 1、2、3、5 和 6 的组件应尽可能靠近器件，以减少 PCB 走线中的噪声拾取。

两个主要电流环路的电流切换速度较快，因此应尽可能减小环路面积，以降低传导和辐射电磁干扰（EMI）。第一个环路由 CIN 通过 VIN 到 SW 引脚、LIND、COUT，再回到 CIN 构成。第二个环路由 D1、LIND 和 COUT 构成。

若 LM5009 在正常工作期间因内部功耗导致结温过高，充分利用 PCB 地平面有助于散热。WSON-8 封装底部的裸露焊盘应焊接至地平面，并从器件下方延伸以增强散热。此外，使用宽阔的 PCB 走线有助于导出热量。在最终产品中合理布局 PCB，并结合强制对流或自然对流，有助于降低结温。