DC/DC 轉(zhuǎn)換器的快速瞬態(tài)性能和恒定頻率

電子產(chǎn)品不斷向更低的電源電壓和更高的負(fù)載電流邁進(jìn)，這給負(fù)載點(diǎn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器帶來(lái)了巨大的壓力，以保持快速的性能改進(jìn)。例如，較低的電源電壓意味著穩(wěn)壓器必須支持12V或24V電源軌的更高降壓比，同時(shí)保持高效率。隨著電源電壓的下降，調(diào)節(jié)精度也變得更加重要，而且在存在寄生IR壓降和動(dòng)態(tài)負(fù)載瞬變的情況下，必須保持精度。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的EMI也值得關(guān)注，特別是在RF應(yīng)用中。

一些應(yīng)用要求其電源滿足所有這些嚴(yán)格的要求：高功率、高效率、高精度、高降壓比、快速瞬態(tài)性能和低EMI，并且占用空間小。LTC?3833 是一款高性能同步降壓型 DC/DC 控制器，可應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。圖 1 顯示了一個(gè)典型應(yīng)用。LTC3833 接受一個(gè)介于 4.5V 至 38V (絕對(duì)最大值為 40V) 之間的非穩(wěn)壓輸入電壓，并將其下變頻至 0.6V 至 5.5V (絕對(duì)最大值為 6V) 之間的 0.67% 準(zhǔn)確度輸出電壓。

圖1.28V 輸入、2.5V 輸出、5A、1.2MHz 降壓轉(zhuǎn)換器。LTC3833 的高頻能力使設(shè)計(jì)能夠擠入狹小的空間。

它具有 20ns 的最小導(dǎo)通時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)高降壓比 (高 V在至低 V外)，其控制架構(gòu)為快速瞬態(tài)性能做好了準(zhǔn)備。LTC3833 采用 20 引腳 QFN (3mm × 4mm) 封裝和具有裸露襯墊的 TSSOP 封裝，以增強(qiáng)熱性能。

快速瞬態(tài)性能和恒定頻率

LTC3833 采用一種新的、復(fù)雜的受控導(dǎo)通時(shí)間架構(gòu) — 恒定導(dǎo)通時(shí)間控制架構(gòu)的一種變體，其區(qū)別在于導(dǎo)通時(shí)間是受控的，以便開(kāi)關(guān)頻率在線路和負(fù)載下的穩(wěn)態(tài)條件下保持恒定。該架構(gòu)利用了恒定導(dǎo)通時(shí)間控制器的所有優(yōu)點(diǎn)，即快速瞬態(tài)響應(yīng)和小導(dǎo)通時(shí)間以實(shí)現(xiàn)高降壓比，同時(shí)模仿恒定頻率控制器的行為。

LTC3833 能夠立即響應(yīng)一個(gè)負(fù)載階躍，而無(wú)需像傳統(tǒng)的恒定頻率控制器那樣等到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。在一個(gè)負(fù)載階躍期間，LTC3833 增加其開(kāi)關(guān)頻率以加快響應(yīng)速度并減少輸出上的下降。類似地，在負(fù)載釋放期間，LTC3833 降低了開(kāi)關(guān)頻率，以防止輸入軌進(jìn)一步為輸出電容器充電。一旦瞬態(tài)條件消退，LTC3833 就會(huì)將開(kāi)關(guān)頻率恢復(fù)到標(biāo)稱編程值，或者如果正在同步，則恢復(fù)到外部時(shí)鐘頻率。

LTC3833 的 90ns 低最小關(guān)斷時(shí)間允許其實(shí)現(xiàn)高占空比操作，從而避免了 V在僅略高于所需的 V外.低的最小關(guān)斷時(shí)間也是影響快速瞬態(tài)性能的因素。如果開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路專為高帶寬和高速度而設(shè)計(jì)，那么 LTC3833 的最短關(guān)斷時(shí)間不會(huì)限制性能。也就是說(shuō)，在負(fù)載階躍條件下，對(duì)于高帶寬設(shè)計(jì)，連續(xù)導(dǎo)通時(shí)間脈沖之間的時(shí)間可低至90ns。

圖 2 示出了微處理器電源的典型低電壓、高電流應(yīng)用，其中 LTC3833 可快速響應(yīng)一個(gè) 20A 負(fù)載階躍并釋放。

圖 2a. 14V 輸入、1.5V 輸出、20A、300kHz 降壓轉(zhuǎn)換器。LTC3833 在諸如微處理器電源的典型特征等低電壓、高電流應(yīng)用中表現(xiàn)出色。它可以快速響應(yīng)微處理器的突發(fā)高壓擺電流要求。

圖 2b.LTC3833 能夠快速響應(yīng)突發(fā)的高轉(zhuǎn)換電流要求。

頻率范圍廣，適用于多種應(yīng)用

LTC3833 能夠提供 200kHz 至 2MHz 的整整十年開(kāi)關(guān)頻率 (利用 RT 引腳上的一個(gè)外部電阻器進(jìn)行設(shè)置)。這種寬范圍使得 LTC3833 能夠滿足各種應(yīng)用的要求，從需要高效率的低頻應(yīng)用到需要較小解決方案尺寸的高頻應(yīng)用，再到保持高于 AM 無(wú)線電頻段的 2MHz 應(yīng)用，同時(shí)能夠從一個(gè)高輸入軌下變頻并提供高輸出電流。

工作頻率的選擇是效率和元件尺寸之間的權(quán)衡。由于轉(zhuǎn)換器中與開(kāi)關(guān)相關(guān)的損耗減少，頻率越低，效率越高。另一方面，較低的頻率需要更大的電感器和電容來(lái)實(shí)現(xiàn)給定的輸出紋波。在較高頻率下，可以使用較小的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的輸出紋波，但代價(jià)是效率。表 1 示出了當(dāng) LTC3833 用于在多個(gè)頻率和輸入電壓下產(chǎn)生一個(gè) 1.8V 輸出時(shí)，維持輸出紋波所需的效率和電感尺寸之間的權(quán)衡。從表中可以看出，開(kāi)關(guān)損耗在較高頻率和較高V下會(huì)加劇在，主要是由于V較高DS橫跨高端MOSFET。

效率↘頻率、電感

200kHz， 2.00μH500kHz， 0.82μH1兆赫，0.47微高2兆赫，0.20μH

Vin

6V91%92%91%87%

22592%92%89%84%

25592%91%87%81%

24V91%88%83%73%

LTC3833 的寬頻率范圍還有助于最大限度地降低來(lái)自開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的 EMI 干擾?？梢赃x擇開(kāi)關(guān)頻率，并將其保持在線路和負(fù)載上，使得穩(wěn)壓器的工作頻率和諧波落在終端應(yīng)用的頻帶之外。這使得最終應(yīng)用能夠輕松濾除 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)噪聲。圖3所示為一個(gè)5.5V應(yīng)用示例，該應(yīng)用工作在AM無(wú)線電頻段(f西 南部> 1800kHz)，可用于為汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)中的電子設(shè)備供電。

圖3.14V 輸入、5.5V 輸出、4A、2MHz 降壓轉(zhuǎn)換器。LTC3833 可在高于 AM 無(wú)線電頻段 (f > 1.8MHz) 的開(kāi)關(guān)頻率下工作，從而使 AM 無(wú)線電能夠充分濾除來(lái)自降壓型轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)噪聲和 EMI。

LTC3833 允許其同步至施加于 MODE/PLLIN 引腳的一個(gè)外部時(shí)鐘，從而提供了針對(duì) EMI 和噪聲干擾的額外保護(hù)。這樣，最終應(yīng)用就可以控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)周期和時(shí)序，因此在應(yīng)用中可能發(fā)生敏感信號(hào)處理的關(guān)鍵時(shí)間段內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生干擾。

高頻下的高降壓比

LTC3833 支持低至 20ns 的高端 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)間。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)檩^低的最小導(dǎo)通時(shí)間轉(zhuǎn)化為更高的可能降壓比(V在到 V外) 在給定的開(kāi)關(guān)頻率下。較高的開(kāi)關(guān)頻率需要較短的導(dǎo)通時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)相同的降壓比。盡管 LTC3833 的最小導(dǎo)通時(shí)間是 V 的函數(shù)在/ 5外和開(kāi)關(guān)頻率，它以正確的方向縮放 — 最低最小導(dǎo)通時(shí)間在高 V 時(shí)在至低 V外在高頻。

當(dāng)然，高V。在，高頻應(yīng)用容易受到最小導(dǎo)通時(shí)間限制的影響?？紤]圖1中的應(yīng)用，該應(yīng)用需要在1.2MHz時(shí)將28V低至2.5V轉(zhuǎn)換。這需要一個(gè)大約 74ns 的導(dǎo)通時(shí)間，而 LTC3833 可以輕松實(shí)現(xiàn)這一導(dǎo)通時(shí)間。相比之下，大多數(shù)傳統(tǒng)電流模式控制器無(wú)法實(shí)現(xiàn)74ns的導(dǎo)通時(shí)間。為了在高頻下運(yùn)行，傳統(tǒng)的電流模式控制器需要兩級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換，第一階段向下轉(zhuǎn)換為中間電壓軌(例如12V)，第二階段轉(zhuǎn)換為最終所需的電壓。這有效地使解決方案尺寸翻倍并降低了整體效率。

在非常低的導(dǎo)通時(shí)間 (20ns–60ns) 下，功率 MOSFET 自身的開(kāi)關(guān)延遲會(huì)限制可實(shí)現(xiàn)的最小導(dǎo)通時(shí)間。必須適當(dāng)注意選擇導(dǎo)通和關(guān)斷延遲較低的功率MOSFET，更重要的是，它們的導(dǎo)通和關(guān)斷延遲之間幾乎沒(méi)有不平衡。例如，大多數(shù)功率MOSFET的關(guān)斷延遲比其導(dǎo)通延遲大約30ns。這種差異直接增加了 LTC3833 的 20ns 最小導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了大約 50ns 的有效最小導(dǎo)通時(shí)間。圖4顯示了一個(gè)工作在2MHz的高降壓比應(yīng)用，其中高端功率MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷延遲之間存在約12ns的不平衡。

圖4.24V 輸入、1.8V 輸出、15A、2MHz 降壓轉(zhuǎn)換器。LTC3833 可實(shí)現(xiàn)非常低的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)一種單級(jí)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。使用具有更長(zhǎng)最短導(dǎo)通時(shí)間的傳統(tǒng)控制器將需要兩個(gè)或更多級(jí)，這意味著設(shè)計(jì)成本更高、更大且效率更低。

高精度，最省力

LTC3833 具有真正的遠(yuǎn)端差分輸出檢測(cè)功能。即使在具有高負(fù)載電流和共享接地層的高功率分布式系統(tǒng)中，也能實(shí)現(xiàn)輸出的精確調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)程差分檢測(cè)對(duì)于低輸出電壓至關(guān)重要，在低輸出電壓中，由電路板走線中的寄生IR壓降引起的小偏移可能會(huì)使調(diào)節(jié)精度損失幾個(gè)百分點(diǎn)。

遠(yuǎn)端差分輸出檢測(cè)和一個(gè)準(zhǔn)確的內(nèi)部基準(zhǔn)相結(jié)合，使 LTC3833 在整個(gè)線路、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)具有出色的輸出調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度，即使存在由 PC 板上的走線損耗引起的失調(diào)也是如此。LTC3833 能夠在 25°C 時(shí)實(shí)現(xiàn) ±0.25% 的輸出準(zhǔn)確度值，在 0°C 至 85°C 時(shí)實(shí)現(xiàn) ±0.67%，在 –40°C 至 125°C 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) ±1%。 考慮線路、負(fù)載和遠(yuǎn)程接地變化的總精度在 0°C 至 85°C 范圍內(nèi)為 ±1%，在 –40°C 至 125°C 范圍內(nèi)為 ±1.5%。 圖 5 示出了 LTC3833 在整個(gè)電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)的典型調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。

圖5.LTC3833 在整個(gè)線路、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)的典型調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)端差分輸出檢測(cè)方案涉及一個(gè)單位增益差分放大器，該放大器直接檢測(cè)遠(yuǎn)端輸出和遠(yuǎn)端接地端子(圖 6)。然后，該放大器的輸出通過(guò)一個(gè)外部電阻分壓器(該分壓器也對(duì)輸出電壓進(jìn)行編程)進(jìn)行縮小，并反饋到內(nèi)核控制器中。除了該方案涉及更多的設(shè)計(jì)工作外，單位增益放大器的輸入和/或輸出共模范圍限制還會(huì)減小可以使用遠(yuǎn)程差分檢測(cè)的輸出電壓范圍。

圖6.與采用 LTC3833 的遠(yuǎn)程檢測(cè)相比，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)端差分檢測(cè)涉及更多的設(shè)計(jì)工作量和電路板空間。

LTC3833 中的遠(yuǎn)端差分輸出檢測(cè)是無(wú)縫的。它使用簡(jiǎn)單，需要最少的設(shè)計(jì)工作(如果有的話)，并且比其他遙感方案需要更少的面積。與傳統(tǒng)的反饋檢測(cè)一樣，輸出通過(guò)電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)，該網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)置輸出電壓。LTC3833 通過(guò)檢測(cè)輸出的遠(yuǎn)端接地端子(電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的另一端)更進(jìn)一步。因此，輸出電壓編程與其他反饋檢測(cè)控制器類似，但優(yōu)點(diǎn)是 LTC3833 能夠校正電路板損耗和失調(diào)。當(dāng)在多個(gè)系統(tǒng)共享電源和接地層的高功率、高電流分布式應(yīng)用中需要調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度時(shí)，LTC3833 非常寶貴。

LTC3833 專為處理相對(duì)于本地接地高達(dá) ±500mV 的遠(yuǎn)端接地失調(diào)而設(shè)計(jì)。這包括能夠從穩(wěn)壓器的輸出低于本地地電位 500mV 的初始條件狀態(tài)平穩(wěn)地軟啟動(dòng)。

其他功能

可編程電流限制

作為谷值電流模式控制器，LTC3833 負(fù)責(zé)檢測(cè)和控制電感器電流的谷點(diǎn)，以維持輸出調(diào)節(jié)。電感電流通過(guò)與電感串聯(lián)的檢測(cè)電阻進(jìn)行檢測(cè)，或通過(guò)電感兩端的RC網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)電感的DCR壓降來(lái)檢測(cè)。無(wú)論哪種方式，電感電流在所有開(kāi)關(guān)周期中都會(huì)被連續(xù)檢測(cè)，從而可以準(zhǔn)確快速地控制輸出電流，包括輸出電流限制。

LTC3833 允許通過(guò) VRNG 引腳上的電壓來(lái)設(shè)置輸出電流限值，從而在為給定應(yīng)用選擇電感器和檢測(cè)電阻器時(shí)提供了額外的自由度。檢測(cè)電阻或電感 DCR 兩端的最大電流檢測(cè)電壓可在 30mV 至 100mV 范圍內(nèi)連續(xù)編程。圖7顯示了最大電流檢測(cè)電壓與VRNG電壓的函數(shù)關(guān)系。

圖7.LTC3833 提供了一個(gè)可編程電流限值。

電視抄送和國(guó)際電視抄送

LTC3833 具有一個(gè)內(nèi)部 5.3V 低壓差穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可為內(nèi)部控制電路(包括強(qiáng)大的高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器)供電，并通過(guò) INTV 提供給外界抄送針。國(guó)際電視網(wǎng)抄送穩(wěn)壓器可以提供最大50mA電流，同時(shí)保持良好的調(diào)節(jié)性能，因此可以適度用作外部電路供電的電源或偏置電壓源。外部電源 (≥4.8V) 可連接至 EXTV抄送用于旁路內(nèi)部穩(wěn)壓器的引腳。這對(duì)于高V特別有用在內(nèi)部線性穩(wěn)壓器效率降低的應(yīng)用。如果 LTC3833 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個(gè) 5V 輸出，則可以將其連接回 EXTV抄送(如圖 3 和圖 8 所示)。與使用內(nèi)部5.3V穩(wěn)壓器相比，該方案可將整體效率提高2%–3%。

圖8.38V 輸入、5V 輸出、8A、200kHz 降壓轉(zhuǎn)換器。LTC3833 在輕負(fù)載條件下提供了兩種工作模式：用于較高效率的脈沖跳躍模式或用于恒定開(kāi)關(guān)頻率的強(qiáng)制連續(xù)模式。

輕負(fù)載時(shí)的脈沖跳躍或強(qiáng)制連續(xù)模式

LTC3833 在輕負(fù)載條件下提供了兩種工作模式，以最好地滿足給定應(yīng)用的要求。對(duì)于在輕負(fù)載條件下要求高效率的應(yīng)用，LTC3833 可針對(duì)脈沖跳躍模式進(jìn)行編程 (通過(guò)將 MODE/PLLIN 引腳連接至 GND)，從而允許開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換到非連續(xù)導(dǎo)通模式，從而通過(guò)降低開(kāi)關(guān)周期數(shù)來(lái)提高效率。脈沖跳躍模式的缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率可變(取決于負(fù)載電流)和輸出電壓紋波略高。

另一方面，對(duì)于需要可預(yù)測(cè)的 EMI 性能和數(shù)值恒定開(kāi)關(guān)頻率的應(yīng)用，或需要在輕負(fù)載條件下進(jìn)行非常準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)的應(yīng)用，LTC3833 可針對(duì)強(qiáng)制連續(xù)模式進(jìn)行編程 (通過(guò)將 MODE/PLLIN 引腳連接至 INTV抄送).在強(qiáng)制連續(xù)模式下，LTC3833 即使在無(wú)負(fù)載時(shí)也能保持編程開(kāi)關(guān)頻率，但在此過(guò)程中犧牲了輕負(fù)載效率。圖8顯示了兩種模式之間的效率差異示例。

軟啟動(dòng)和跟蹤

LTC3833 通過(guò) TRACK/SS 引腳提供軟起動(dòng) — 從零或預(yù)偏置輸出電壓條件 (圖 9) — 和外部跟蹤功能。軟啟動(dòng)時(shí)間和斜坡速率可由一個(gè)電容器從 TRACK/SS 引腳至 GND 進(jìn)行設(shè)置。該電容和 TRACK/SS 引腳外的 1μA 電流源決定了軟啟動(dòng)時(shí)間和斜坡速率。當(dāng) TRACK/SS 電壓達(dá)到 0.6V (LTC3833 的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓)時(shí)，輸出達(dá)到其最終編程值?；蛘?，一個(gè)外部斜坡可以驅(qū)動(dòng) TRACK/SS 引腳，以便跟蹤開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出到外部斜坡，從而更好地控制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的上電和關(guān)斷條件。

圖9.LTC3833 能夠平穩(wěn)地啟動(dòng)至一個(gè)預(yù)偏置輸出。

運(yùn)行啟用

LTC3833 通過(guò) RUN 引腳提供了一種專用的使能 / 禁用功能。當(dāng) RUN 引腳保持懸空狀態(tài)時(shí)，LTC3833 自使能。通過(guò)強(qiáng)制 RUN 到 GND 來(lái)禁用或關(guān)閉它。LTC3833 在停機(jī)模式中的靜態(tài)電流為 15μA。當(dāng) RUN 被拉幅大于 1.2V 時(shí)，LTC3833 使能，這是一個(gè)準(zhǔn)確、控制良好的門(mén)限。這允許將 RUN 引腳編程為輸入欠壓鎖定(如果需要)，方法是從 V 設(shè)置電阻分壓器在運(yùn)行到GND。RUN 引腳還可以吸收大約 35μA 的電流，從而允許將其直接上拉至 V在通過(guò)一個(gè)足夠大的上拉電阻。

電源良好和故障保護(hù)

LTC3833 可在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出和外部組件遇到過(guò)壓、過(guò)流和短路情況時(shí)快速有效地發(fā)揮作用，以保護(hù)該開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出和外部組件。

編程的電流限制可防止過(guò)流情況，并允許輸出電流在超過(guò)電流限制時(shí)下降。在短路條件下，LTC3833 強(qiáng)制折返電流限制，其中電流限制逐漸降低到輸出端硬短路的編程電流限制的四分之一左右(圖 10)。

圖 10.在輸出端發(fā)生短路期間，LTC3833 將輸出電流減小到編程電流限值的 1/4。

過(guò)壓情況通過(guò)強(qiáng)制低側(cè)功率MOSFET導(dǎo)通以釋放輸出端的過(guò)壓來(lái)處理。

LTC3833 通過(guò) PGOOD 引腳提供了一種電源良好功能，PGOOD 引腳是一個(gè)漏極開(kāi)路輸出，可電阻性上拉至一個(gè)邏輯電平電壓 (或 INTVCC) 外部。如果輸出在編程值的±7.5%以內(nèi)，則PGOOD為高電平，表示功率良好。 結(jié)論

LTC?3833 是一款同步降壓型 DC/DC 控制器，其能夠滿足高電流、低電壓應(yīng)用的需求，同時(shí)保持足夠的通用性以適應(yīng)廣泛的降壓型 DC/DC 應(yīng)用。