新穎的均流IC 可輕松平衡兩個電源

均流特性

圖 3 示出了 LTC4370 采用可調(diào)二極管法時的均流特性。圖 3 包含兩幅曲線圖，皆在 x 軸上具有電源電壓差 VIN = VIN1 – VIN2。上方的曲線圖示出了兩個歸一化至負(fù)載電流的電源電流;下方的曲線圖則示出了 MOSFET 兩端的正向電壓降 VFWDx。當(dāng)兩個電源電壓相等 (VIN = 0V) 時，電源電流相等，而且兩個正向電壓處于 25mV 的最小伺服電壓。當(dāng) VIN1 升至高于 VIN2 (VIN 為正)，VFWD2 保持在 25mV，而 VFWD1 則精確地隨著 VIN 而增加，以維持 OUT1 = OUT2。這反過來又使得 I1 = I2 = 0.5ILOAD。

圖 3：當(dāng)電源電壓差異變化時，采用 LTC4370的均流特性方法

對于由 RANGE 引腳設(shè)定的 VFWD 之調(diào)節(jié)有一個上限。就圖 3 中的例子而言，該限值為 525mV，由 RANGE 引腳設(shè)定在 500mV。一旦 VFWD1 達(dá)到該限值，均流就將變得不平衡，VIN1 的任何進(jìn)一步上升都將把 OUT1 推至高于 OUT2。

斷點(diǎn)為 VFR(MAX) – VFR(MIN)，此時較高電壓電源提供了較多的負(fù)載電流。當(dāng) OUT1 – OUT2 = ILOAD • RSENSE 時，全部負(fù)載電流轉(zhuǎn)移至 I1。這是 MOSFET M1 中功率耗散最大的工作點(diǎn)，因?yàn)槿控?fù)載電流都從其中流過，產(chǎn)生了最大的正向壓降。例如：一個 10A 負(fù)載電流在 MOSFET 中引起 5.3W (= 10A • 525mV) 的功率耗散。如果 VIN 有任何進(jìn)一步的上升，則控制器將使 M1 兩端的正向壓降減低至 25mV 的最小值。在未均分負(fù)載電流的情況下，對于大的 VIN，這可以最大限度地減少 MOSFET 中的功率耗散。對于負(fù) VIN，動作是對稱的。

在本例中，均分捕獲范圍為 500mV，并且由 RANGE 引腳電壓設(shè)定。憑借此范圍，控制器能夠共用具有一個 ±250mV 容差的電源。這轉(zhuǎn)化為：3.3V 電源的 ±7.5% 容差、5V 電源的 ±5% 容差、以及 12V 電源的 ±2% 容差。

設(shè)計考慮

以下是針對負(fù)載均分設(shè)計的一些高層次考慮因素。

MOSFET 選擇 — 理想的情況是，MOSFET 的 RDS(ON) 應(yīng)足夠小，這樣控制器就能夠在 MOSFET 中流過一半負(fù)載電流時在其兩端維持 25mV 的最小正向調(diào)節(jié)電壓。如果 RDS(ON) 較高，則會妨礙控制器調(diào)節(jié) 25mV。在此場合中，未調(diào)節(jié)壓降為 0.5IL • RDS(ON)。當(dāng)該壓降上升時，均分?jǐn)帱c(diǎn) (現(xiàn)在由 VFR(MAX) – 0.5IL • RDS(ON) 確定) 將提前出現(xiàn)，導(dǎo)致捕獲范圍縮小。

由于 MOSFET 會耗散功率 (在圖 3 中高達(dá) IL • VFR(MAX))，因此應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x擇其封裝和散熱器。減少 MOSFET 功率耗散的唯一辦法是采用準(zhǔn)確度更高的電源或者放棄均分范圍。

RANGE 引腳 — RANGE 引腳負(fù)責(zé)設(shè)定應(yīng)用的均分捕獲范圍，而這又取決于電源的準(zhǔn)確度。比如：采用 ±3% 容差電源的 5V 系統(tǒng)將需要一個 2 • 5V • 3% (即 300mV) 的均分范圍 (較高的電源為 5.15V，而較低的則為 4.85V)。RANGE 引腳具有一個 10μA 的精準(zhǔn)內(nèi)部上拉電流。在 RANGE 引腳上布設(shè)一個 30.1k 電阻器可將其電壓設(shè)定為 301mV，此時控制器能夠補(bǔ)償 300mV 的電源壓差 (見圖 4)。

圖 4：帶狀態(tài)指示燈的 5V 二極管“或”負(fù)載均分。當(dāng)任意 MOSFET 關(guān)斷時，紅光 LED D1 將點(diǎn)亮，表示均分出現(xiàn)中斷

把 RANGE 引腳置于開路狀態(tài) (如圖 1 所示) 將提供 600mV 的最大可能均分范圍。但是，當(dāng)伺服電壓接近二極管電壓時，電流將會流過 MOSFET 的體二極管，從而引起均分損耗。把 RANGE 引腳連接至 VCC 可停用負(fù)載均分功能，以將器件變?yōu)橐粋€雙通道理想二極管控制器。

補(bǔ)償 — 負(fù)載均分環(huán)路利用連接在 COMP 引腳和地之間的單個電容器進(jìn)行補(bǔ)償。該電容器必須為 MOSFET 輸入 (柵極) 電容 CISS 的 50 倍。如果并未在使用快速柵極接通 (未接入 CPO 電容器)，則該電容器可以僅為 10 x CISS。

檢測電阻器 — 檢測電阻器決定了負(fù)載均分準(zhǔn)確度。準(zhǔn)確度隨著電阻器電壓降的增加而有所改善。最大誤差放大器失調(diào)為 2mV。因此，25mV 的檢測電阻器壓降將產(chǎn)生一個 4% 的均分誤差。如果功率耗散指標(biāo)的重要性高于準(zhǔn)確度，則可減低檢測電阻器的阻值。

結(jié)論

歷史上，在電源之間平衡負(fù)載電流一直是個難題，這不禁讓我們聯(lián)想到走鋼絲的驚險場景。當(dāng)電源模塊或磚型電源未提供內(nèi)置支持時，有些設(shè)計人員將花費(fèi)大量的時間設(shè)計良好受控的系統(tǒng) (并在電源類型改變時重新進(jìn)行設(shè)計);而其他的設(shè)計師則將勉強(qiáng)接受基于電阻的粗略型壓降均分法。

LTC4370 采用了一種完全不同于任何其他控制器的電源負(fù)載均分方法。該器件可簡化設(shè)計 (特別是對于那些不適于實(shí)施執(zhí)行中微調(diào)的電源)，而且其可移植到各種不同類型的電源。固有的二極管特性可防止電源遭受反向電流，并保護(hù)系統(tǒng)免遭故障電源的損壞。LTC4370 為一個精細(xì)復(fù)雜的問題提供了簡單、精巧和緊湊的解決方案。