超低電感器 DCR 采樣的電流模式開關(guān)電源

當(dāng)電流模式開關(guān)電源與電壓模式開關(guān)電源相比時(shí)，前者有幾種優(yōu)勢(shì)：

(1) 高可靠性，具快速、逐周期電流采樣和保護(hù)能力；

(2) 簡(jiǎn)單和可靠的環(huán)路補(bǔ)償，全部用陶瓷輸出電容器就可穩(wěn)定；

(3) 在大電流多相 (PolyPhase) 電源中易于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的均流。

在大電流應(yīng)用中，電流采樣組件中的功率損耗是一個(gè)令人擔(dān)憂的問題，因此采樣組件的電阻必須盡可能低。問題是低電阻采樣組件會(huì)使信噪比降低，因此在大電流和高密度應(yīng)用中，開關(guān)抖動(dòng)就成了問題。

凌力爾特的 LTC3866(數(shù)據(jù)手冊(cè)) 就解決了這個(gè)問題，使用該器件可以建立可靠和電流采樣電阻 0.5m 的電流模式開關(guān)電源。這款單相同步降壓型控制器用內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)所有 N 溝道電源 MOSFET 開關(guān)。該器件采用一種獨(dú)特的架構(gòu)，可提高電流采樣信號(hào)的信噪比，從而允許使用 DC 電阻 (DCR) 非常低的功率電感器或電阻值非常低的電流采樣電阻器，以最大限度地提高大電流應(yīng)用的效率。這種特性可降低在 DCR 很低的應(yīng)用中常見的開關(guān)抖動(dòng)。

這款控制器具備 4.5V 至 38V 的寬輸入范圍；運(yùn)用準(zhǔn)確度為 0.5% 的基準(zhǔn)進(jìn)行遠(yuǎn)端輸出電壓采樣；運(yùn)用電感器 DCR 采樣時(shí)，提供可編程和溫度補(bǔ)償?shù)碾娏飨拗?；短路軟恢?fù)時(shí)沒有過沖；芯片過熱停機(jī)。就電信系統(tǒng)、工業(yè)和醫(yī)療儀器、以及 DC 配電系統(tǒng)而言，LTC3866 為高效率、高功率密度和高可靠性解決方案的設(shè)計(jì)提供了方便。該控制器采用低熱阻 24 引線 4mm x 4mm QFN 和 24 引線裸露焊盤 FE 封裝。

特點(diǎn)

LTC3866 采用恒定頻率峰值電流模式控制架構(gòu)，從而可確保逐周期峰值電流限制和不同電源之間的均流。

該器件尤其適用于低壓、大電流電源，因?yàn)槠洫?dú)特的架構(gòu)能提高電流檢測(cè)電路的信噪比。這允許 LTC3866 能以由 DCR 非常低 (1m 或更低) 的電感器產(chǎn)生小的采樣信號(hào)工作，這在大電流電源中可提高電源效率。提高信噪比可最大限度地減小由開關(guān)噪聲引起的抖動(dòng)，而這有可能使信號(hào)產(chǎn)生訛誤。憑借精心的 PCB 布局，LTC3866 可對(duì)低至 0.2m 的 DCR 值采樣，盡管在這種極端情況下，應(yīng)該額外考慮 PCB 和焊料電阻。

如圖 1 所示，LTC3866 有兩個(gè)正的采樣引腳 (SNSD+ 和 SNSA+) 以采集信號(hào)，并在內(nèi)部對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，這在響應(yīng)低壓采樣信號(hào)時(shí)，可使信噪比改善 14dB (5 倍)。電流限制門限仍然是電感器峰值電流及其 DCR 值的函數(shù)，而且可以用 ILIM 引腳以 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)，器件至器件的電流限制誤差僅約為 1mV。

圖 1：具超低電感器 DCR 的 LTC3866 電流采樣電路。大電流通路用粗線顯示

INDUCTOR：電感器

PLACE C1, C2 NEXT TO IC：靠近 IC 放置 C1 和 C2

PLACE R1, R2 NEXT TO INDUCTOR：靠近電感器放置 R1 和 R2

SNSD+ 通路的濾波器時(shí)間常數(shù) R1 x C1 應(yīng)該等于輸出電感器的 L/DCR，而 SNSA+ 通路的濾波器應(yīng)該有 5 倍于 SNSD+ 的帶寬，也就是 R2 x C2 = R1 x C1/5。一個(gè)可選的附加溫度補(bǔ)償電路保證在很寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流限制，這在 DCR 采樣中尤其重要。

LTC3866 還具備精確的 0.6V 基準(zhǔn)，而且其保證的容限為 ±0.5%，這就可以提供 0.6V 至 3.5V 的準(zhǔn)確輸出電壓。其差分遠(yuǎn)端 VOUT 采樣放大器使 LTC3866 非常適用于低壓、大電流應(yīng)用。

應(yīng)用

圖2顯示了一款以非常低的 DCR 完成采樣的高效率、1.5V/30A 降壓型轉(zhuǎn)換器。在這個(gè)設(shè)計(jì)中采用了一個(gè) DCR = 0.32m 的電感器，以最大限度地提高效率。

圖 2：以非常低的 DCR 完成采樣的高效率、1.5V/30A 降壓型轉(zhuǎn)換器

不同工作模式的效率如圖 3 所示。在 12V 輸入電壓時(shí)，滿負(fù)載效率高達(dá) 90.3%。與采用 1m 采樣電阻器和具備相同功率級(jí)設(shè)計(jì)的電源相比，這大約改善了 1.4%。在沒有任何空氣流動(dòng)時(shí)，熱點(diǎn) (底部 MOSFET) 的溫度僅上升 39.6°C (如圖 4 所示)。在這張圖中，環(huán)境溫度大約為 23.8°C。

圖 3：圖2電路的效率

EFFICIENCY：效率

Burst Mode OPERATION：突發(fā)模式 (Burst Mode) 工作

PULSE-SKIPPING：脈沖跳躍模式

圖 4：圖2電路的熱量測(cè)試

獨(dú)特的設(shè)計(jì)提高了效率以及噪聲靈敏度。在采用非常低的 0.32m? 電感器 DCR 時(shí)，最差情況的開關(guān)節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)減輕了 60%，如圖 5 所示。

圖 5：在 12V 輸入、1.5V/25A 輸出時(shí)，對(duì)開關(guān)節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)的比較

STANDARD DCR SENSING：標(biāo)準(zhǔn) DCR 采樣

100ns/DIV：每格 100ns

LTC3866 ENHANCED DCR SENSING：LTC3866 增強(qiáng)的 DCR 采樣

LTC3866 的另一個(gè)獨(dú)特之處是短路軟恢復(fù)。內(nèi)部軟恢復(fù)電路保證，當(dāng)電源從短路情況恢復(fù)時(shí)沒有過沖 (如圖 6 所示)。

圖 6：短路測(cè)試

LTC3866 可以與一個(gè)電源構(gòu)件一起使用，以實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)和非常大的電流。圖 7 顯示了一款由兩個(gè)并聯(lián)的 LTC3866 + 電源構(gòu)件電路組成的兩相、高效率、1.5V/80A 電源。盡管該電源構(gòu)件中電感器的 DCR 僅為 0.53m，但是在 DC 和瞬態(tài)情況下的均流性能是十分出色的 (如圖 8 所示)。

圖 7：基于并聯(lián) LTC3866 和電源構(gòu)件的高效率、1.5V/80A 電源

圖 8：圖7中 1.5V/80A 電源的均流性能

在電感器的 DCR 值較高或使用 RSENSE 時(shí)，通過停用 SNSD+ 引腳 (將其短路至地) 就可以像使用任何典型的電流模式控制器一樣使用 LTC3866。RSENSE 電阻器或 RC 濾波器可用來對(duì)輸出電感器信號(hào)采樣，或連接至 SNSA+ 引腳。如果使用了 RC 濾波器，其時(shí)間常數(shù) R x C 就設(shè)定為等于輸出電感器的 L/DCR。在這類應(yīng)用中，電流限制 VSENSE(MAX) 是規(guī)定的 ILIM 之 5倍，SNSA+ 和 SNS– 的工作電壓范圍為 0V 至 5.25V。如果沒有使用內(nèi)部差分放大器，那么就可以產(chǎn)生 5V 輸出電壓 (如圖 9 所示)。熱量測(cè)試顯示，在滿負(fù)載且沒有任何氣流時(shí)，熱點(diǎn) (電感器) 的溫度大約為 57.3°C (如圖 10 所示)，圖中環(huán)境溫度為 25°C。

圖 9：高效率電源，12V 輸入至 5V/25A 輸出

圖 10：圖9電路的熱量測(cè)試

結(jié)論

在小型 4mm x 4mm、24 引腳 QFN 封裝中，LTC3866 提供了豐富的功能。具電流模式控制的獨(dú)特和超低 DCR 電流采樣使 LTC3866 非常適用于具備高效率和高可靠性的低壓、大電流應(yīng)用。跟蹤能力、強(qiáng)大的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器、多芯片工作和外部同步功能都是該芯片的特色。LTC3866 非常適用于電腦和電信系統(tǒng)、工業(yè)和醫(yī)療儀器、以及 DC 配電系統(tǒng)。