采用低電感器 DCR 檢測(cè)的電流模式控制器 可提供諸多優(yōu)于電壓模式控制器的好處

背景

由于微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器需要在較低的工作電壓條件下獲得越來(lái)越高的電流，因此，通過(guò)盡量降低電流檢測(cè)元件的電阻以最大限度地減少電源傳導(dǎo)損耗就變得更加至關(guān)緊要。然而，低電阻電流檢測(cè)元件產(chǎn)生一個(gè)較低的斜坡電壓，當(dāng)使用電流模式控制器時(shí)，這通常不利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)作。低的斜坡電壓會(huì)致使電流模式控制型開關(guān)電源具有顯著的抖動(dòng)，并且在大多數(shù)應(yīng)用中變得不穩(wěn)定。因此，對(duì)于這些應(yīng)用人們一般采用電壓模式控制器，盡管此類控制器存在著效率不高和潛在的可靠性問(wèn)題。

相比于電壓模式開關(guān)電源，電流模式控制型開關(guān)電源擁有幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，它們是：

1. 較高的可靠性，其采用快速的逐周期電流檢測(cè)以提供輸出短路和過(guò)載保護(hù)。而電壓模式控制型電源對(duì)于過(guò)流情況的反應(yīng)速度則較慢，這在某些應(yīng)用中會(huì)導(dǎo)致故障的發(fā)生。

2. 簡(jiǎn)單和可靠的反饋環(huán)路補(bǔ)償可使電源全部采用陶瓷輸出電容器以保持穩(wěn)定，從而有助于實(shí)現(xiàn)較小的解決方案尺寸。

3. 可在高電流多相設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易和準(zhǔn)確的均流。

不過(guò)，對(duì)于高電流輸出 (通常大于 20A)，低 DCR 電感器將不能產(chǎn)生一個(gè)足夠的電壓斜坡信號(hào)以使電流模式控制器在所有的工作條件下都保持穩(wěn)定，因此不得不使用電壓模式控制器。這種情況即將得到改變。

凌力爾特公司推出了 LTC3866，這款電流模式控制器能夠檢測(cè)一個(gè)非常低的斜坡電壓并保持卓越的穩(wěn)定性。LTC3866 是首個(gè)真正的電流模式控制器，其突破了最小 1mΏ 的電感器 DC 電阻要求，并仍然保持了穩(wěn)定性。

引言

LTC3866 是一款峰值電流模式同步降壓型 DC/DC 控制器，其采用了一種新穎的 DCR 檢測(cè)架構(gòu)，此架構(gòu)可改善電流檢測(cè)信號(hào)的信噪比，從而允許使用非常低 DC 電阻的功率電感器?？刹捎靡粋€(gè)低至 0.17mΏ 的功率電感器 DC 電阻，以最大限度地提高轉(zhuǎn)換器效率并增加功率密度。此外，這種新型 DCR 檢測(cè)方法還大幅降低了低 DCR 電阻應(yīng)用中常見(jiàn)的開關(guān)抖動(dòng)。DCR 溫度補(bǔ)償功能電路可在寬廣的溫度范圍內(nèi)保持一個(gè)恒定和準(zhǔn)確的電流限制門限。

LTC3866 可在一個(gè) 4.5V 至 38V 的輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)作，該范圍涵蓋了眾多的應(yīng)用。強(qiáng)大的內(nèi)置 N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器允許使用高功率外部 MOSFET、DrMOS 器件或電源構(gòu)件 (Power Block)，以提供高達(dá) 40A 的輸出電流，以及 0.6V 至 3.5V (當(dāng)采用內(nèi)置遠(yuǎn)端采樣差分放大器時(shí)) 和 0.6V 至 5V (當(dāng)未使用遠(yuǎn)端采樣時(shí)) 的輸出電壓。對(duì)于更高功率的多相應(yīng)用，可以通過(guò)把多個(gè)器件的 ITH 引腳連接在一起以輕松實(shí)現(xiàn)多個(gè) LTC3866 的并聯(lián)?？梢赃x擇一個(gè) 10mV 至 30mV的低電流檢測(cè)門限。固定的工作頻率可在 250kHz 至 770kHz 的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。其他特點(diǎn)包括一個(gè)內(nèi)部偏置電壓調(diào)節(jié)器、軟起動(dòng)或跟蹤、過(guò)壓保護(hù)、短路軟恢復(fù)、電流限值折返、熱停機(jī)和外部 VCC 控制。LTC3866 采用耐熱性能增強(qiáng)型 4mm x 4mm QFN-24 封裝和 TSSOP-24E 封裝。[!--empirenews.page--]

典型應(yīng)用

由于能夠僅采用一個(gè)很小的峰至峰檢測(cè)電壓工作，因此 LTC3866 可與非常低 DCR 的電感器配合運(yùn)作。下面的圖 1 示出了 LTC3866 的一款應(yīng)用電路設(shè)計(jì)原理圖，其采用一個(gè)標(biāo)稱 12V 輸入操作，并可在高達(dá) 30A 的電流條件下產(chǎn)生一個(gè) 1.5V 輸出。如圖 2 所示，該電路采用了一個(gè) DCR = 0.32mΩ 的電感器以最大限度地提高效率 (>90%)。

圖 1：LTC3866 的典型應(yīng)用電路原理圖 (用于實(shí)現(xiàn) 12VIN 至 1.5VOUT/30A 降壓轉(zhuǎn)換)

圖 2：圖 1 所示原理圖的效率曲線 (顯示可實(shí)現(xiàn) >90% 的效率)

特點(diǎn)

LTC3866 具有兩個(gè)正的檢測(cè)引腳 (SNSD+ 和 SNSA+) 以采集斜坡信號(hào)，并在內(nèi)部對(duì)斜坡信號(hào)進(jìn)行處理，這在響應(yīng)低電壓檢測(cè)信號(hào)時(shí)，可使信噪比改善 14dB。電流限制門限仍然是電感器峰值電流及其 DCR 值的函數(shù)，并能以 5mV 的步進(jìn)在 10mV 至 30mV 的范圍內(nèi)準(zhǔn)確設(shè)定。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，器件到器件的電流限值誤差僅約為 1mV，從而確保了優(yōu)良的準(zhǔn)確度。

此外，由于 LTC3866 采用恒定頻率峰值電流模式控制架構(gòu)，因此其可保證逐周期峰值電流限值以及不同電源之間的均流。因?yàn)樵撈骷\(yùn)用了一種可改善電流檢測(cè)電路信噪比的獨(dú)特架構(gòu)，所以它特別適用于低電壓、高電流電源。信噪比指標(biāo)的改善可最大限度地抑制由于開關(guān)噪聲所引起的抖動(dòng)，此類抖動(dòng)有可能損壞信號(hào)。與標(biāo)準(zhǔn)的電流模式控制器相比，最壞情況開關(guān)抖動(dòng)降低了 60%。

低輸出紋波應(yīng)用

由于 LTC3866 所需的斜坡信號(hào)僅為次好的電流模式轉(zhuǎn)換器之檢測(cè)信號(hào)的大約 1/4，因此通過(guò)增加輸出濾波器的電感和電容可極大地降低輸出紋波。圖 3 示出了一款具有低輸出紋波電壓優(yōu)勢(shì)的高效率轉(zhuǎn)換器。對(duì)于那些對(duì)噪聲極其敏感的應(yīng)用 (例如：測(cè)試 / 測(cè)量系統(tǒng)和音頻設(shè)備) 來(lái)說(shuō)，大幅降低的輸出電壓紋波 (<10mV，如圖 4 所示) 是至關(guān)緊要的。[!--empirenews.page--]

圖 3：具有非常低輸出紋波的高效率、1.5V/25A 降壓型轉(zhuǎn)換器

圖 4：LTC3866 的低輸出紋波曲線 (圖 3 所示原理圖)

或者，LTC3866 也可以與電源構(gòu)件或 DrMOS 器件一起使用，以實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)和非常高的輸出電流。圖 5 示出了一款兩相、高效率、1.8V/80A 電源，其基于兩個(gè)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電源構(gòu)件的并聯(lián) LTC3866 控制器。由于 LTC3866 采用電流模式控制的原因，相位之間的均流準(zhǔn)確度在 ±5% 以內(nèi)。假如用兩個(gè)電壓模式控制器來(lái)替代 LTC3866，那么將會(huì)因?yàn)闆](méi)有辦法控制相位電流的緣故而不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的均流。

圖 5：具有兩個(gè)并聯(lián) LTC3866 (各使用電源構(gòu)件) 的 1.5V/80A 電源

在使用了一個(gè)較高數(shù)值 DCR 電感器或檢測(cè)電阻器的應(yīng)用中，通過(guò)停用 SNSD+ 引腳 (將其短路至地) 就可以像配置任何典型的電流模式控制器那樣配置 LTC3866?？刹捎靡粋€(gè) RC 濾波器來(lái)檢測(cè)輸出電感器信號(hào)。如果使用了 RC 濾波器，則其時(shí)間常數(shù) R • C 就設(shè)定為等于輸出電感器的 L / DCR。在這類應(yīng)用中，電流限值一般為電流檢測(cè)規(guī)定值的 5 倍。

結(jié)論

LTC3866 允許使用一個(gè)超低 DCR 的電流檢測(cè)元件，以提升高電流應(yīng)用中的效率。相比于替代的電壓模式控制器，其電流模式控制提供了諸多的優(yōu)勢(shì)，包括高可靠性和快速的逐周期電流檢測(cè)、簡(jiǎn)單的反饋環(huán)路補(bǔ)償以及可采用全陶瓷電容器 (以實(shí)現(xiàn)最小的解決方案尺寸)。對(duì)于那些需要高效率和高可靠性的低電壓、高電流降壓型轉(zhuǎn)換器應(yīng)用而言，LTC3866 是合適之選。跟蹤能力、強(qiáng)大的片內(nèi)驅(qū)動(dòng)器、多芯片操作和外部同步功能都是該芯片的特色。LTC3866 非常適用于負(fù)載點(diǎn)計(jì)算機(jī)和電信系統(tǒng)、工業(yè)和醫(yī)療儀器、以及 DC 配電系統(tǒng)。最后，對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，他們可以擁有一款兼具電流模式和電壓模式控制方案之最大優(yōu)勢(shì)的控制器。