【導(dǎo)讀】開關(guān)電源有兩種，由于電流模式開關(guān)電源的功率損耗問題使得其在大電流和高密度應(yīng)用中出現(xiàn)了問題，本文主要描述以超低電感器DCR采樣的電流模式開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)高效率和高可靠性。
當(dāng)電流模式開關(guān)電源與電壓模式開關(guān)電源相比時，前者有幾種優(yōu)勢：(1)高可靠性，具快速、逐周期電流采樣和保護(hù)能力；(2)簡單和可靠的環(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)抖動就成了問題。
凌力爾特的LTC3866就解決了這個問題，使用該器件可以建立可靠和電流采樣電阻<0.5mΩ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)動器驅(qū)動所有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。
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，提供可編程和溫度補(bǔ)償?shù)碾娏飨拗?；短路軟恢?fù)時沒有過沖；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4mmx4mmQFN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)能提高電流檢測電路的信噪比。這允許LTC3866能以由DCR非常低(1mΩ或更低)的電感器產(chǎn)生小的采樣信號工作，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，而這有可能使信號產(chǎn)生訛誤。憑借精心的PCB布局，LTC3866可對低至0.2mΩ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有兩個正的采樣引腳(SNSD+和SNSA+)以采集信號，并在內(nèi)部對信號進(jìn)行處理，這在響應(yīng)低壓采樣信號時，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
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+通路的濾波器時間常數(shù)R1xC1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R2xC2=R1xC1/5。一個可選的附加溫度補(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。
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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。在這個設(shè)計(jì)中采用了一個DCR=0.32mΩ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，滿負(fù)載效率高達(dá)90.3%。與采用1mΩ采樣電阻器和具備相同功率級設(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時，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0.32mΩ電感器DCR時，最差情況的開關(guān)節(jié)點(diǎn)抖動減輕了60%，如圖5所示。
圖5：在12V輸入、1.5V/25A輸出時，對開關(guān)節(jié)點(diǎn)抖動的比較
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)時沒有過沖(如圖6所示)。
圖6：短路測試
LTC3866可以與一個電源構(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0.53mΩ，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，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濾波器可用來對輸出電感器信號采樣，或連接至SNSA+引腳。如果使用了RC濾波器，其時間常數(shù)RxC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)。熱量測試顯示，在滿負(fù)載且沒有任何氣流時，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電路的熱量測試
結(jié)論
在小型4mmx4mm、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)。
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