具有超低電感DCR檢測的電流模式開關(guān)電源實現(xiàn)高效率和高可靠性

作者：Jian Li, Haoran Wu, and Gina Le

與電壓模式開關(guān)電源相比，電流模式開關(guān)電源具有以下幾個優(yōu)點：（1） 具有快速、逐周期電流檢測和保護(hù)功能，可靠性高;（2） 簡單可靠的環(huán)路補償—與所有陶瓷輸出電容配合穩(wěn)定;（3） 在大電流多相電源中輕松準(zhǔn)確地均流。在大電流應(yīng)用中，電流檢測元件的功率損耗是一個問題，因此檢測元件的電阻必須盡可能低。問題在于，低電阻檢測元件產(chǎn)生的信噪比降低，因此開關(guān)抖動在高電流、高密度應(yīng)用中成為一個問題。

LTC3866 解決了這一問題，它能夠構(gòu)建具有 <0.5mΩ 電流檢測電阻的可靠電流模式開關(guān)電源。這款單相同步降壓控制器通過板載柵極驅(qū)動器驅(qū)動所有 N 溝道功率 MOSFET 開關(guān)。它采用獨特的架構(gòu)，可增強電流檢測信號的信噪比，允許使用極低直流電阻 （DCR） 功率電感器或低值電流檢測電阻器，以最大限度地提高高電流應(yīng)用中的效率。該特性可降低低 DCR 應(yīng)用中常見的開關(guān)抖動。

該控制器具有 4.5V–38V 寬輸入范圍、具有精確 0.5% 基準(zhǔn)的遠(yuǎn)程輸出電壓檢測、使用電感器 DCR 檢測時的可編程和溫度補償電流限制、無過沖的短路軟恢復(fù)以及芯片熱關(guān)斷。

LTC3866 有助于為電信系統(tǒng)、工業(yè)和醫(yī)療儀器以及直流配電系統(tǒng)設(shè)計高效率、高功率密度和高可靠性解決方案。該控制器采用低熱阻 24 引腳 4mm ×4mm QFN 和 24 引腳裸露焊盤 FE 封裝。

特征

LTC3866 采用一種恒定頻率峰值電流模式控制架構(gòu)，從而保證了不同電源之間的逐周期峰值電流限制和均流。

它特別適合低電壓、高電流電源，因為其獨特的架構(gòu)可增強電流檢測電路的信噪比。這使其能夠與極低 DCR（1mΩ 或更小）電感器產(chǎn)生的小檢測信號一起工作，從而提高高電流電源的電源效率。改進(jìn)的SNR可最大限度地減少開關(guān)噪聲引起的抖動，因為開關(guān)噪聲可能會破壞信號。LTC3866 可通過仔細(xì)的 PCB 布局檢測低至 0.2mΩ 的 DCR 值，但在這種極端情況下，應(yīng)考慮額外的 PCB 和焊接電阻。

如圖 1 所示，LTC3866 包括兩個正檢測引腳 SNSD+ 和 SNSA+，用于采集信號并在內(nèi)部對其進(jìn)行處理，以提供 14dB （5×） 的信噪比改進(jìn)，以響應(yīng)低電壓檢測信號。電流限值門限仍然是電感峰值電流及其DCR值的函數(shù)，并且可通過ILIM引腳在10mV至30mV范圍內(nèi)以5mV步長精確設(shè)置。器件間電流限制誤差在整個溫度范圍內(nèi)僅為約1mV。

圖1.LTC3866 電流檢測方案，采用超低電感器 DCR。高電流路徑以較粗的線條顯示。

SNSD+路徑的濾波時間常數(shù)R1?C1應(yīng)等于輸出電感的L/DCR，而SNSA+路徑的濾波器應(yīng)具有比SNSD+大五倍的帶寬，即R2 ? C2 = R1 ? C1/5。額外的可選溫度補償電路可確保在寬溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)精確的電流限制，這在DCR檢測中尤其重要。

LTC3866 還具有一個具一個保證限值為 ±0.5% 的精準(zhǔn) 0.6V 基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)可提供一個 0.6V 至 3.5V 的準(zhǔn)確輸出電壓。其差分遠(yuǎn)程V外檢測放大器使 LTC3866 成為低電壓、高電流應(yīng)用的理想選擇。

應(yīng)用

圖2所示為一款高效率、1.5V/30A降壓型轉(zhuǎn)換器，具有極低的DCR檢測。本設(shè)計使用DCR = 0.32mΩ的電感器，以最大限度地提高效率。

圖2.高效率、1.5V/30A 降壓轉(zhuǎn)換器，具有極低的 DCR 檢測。

不同操作模式下的效率如圖3所示。在12V輸入電壓下，滿載效率高達(dá)90.3%。與采用相同功率級設(shè)計的 1mΩ 檢測電阻相比，該器件的電源性能提高了約 1.4%。在沒有任何氣流的情況下，熱點（底部MOSFET）溫升僅為39.6°C，如圖4所示，其中環(huán)境溫度約為23.8°C。

圖3.電路的效率如圖2所示。

圖4.圖2所示電路的熱測試。

獨特的設(shè)計提高了效率和噪聲靈敏度。如圖5所示，使用非常低的0.32mΩ電感DCR時，最壞情況下的開關(guān)節(jié)點抖動降低了60%。

圖5.12V輸入、1.5V/25A輸出時的開關(guān)節(jié)點抖動比較。

LTC3866 的另一個獨特特性是短路軟恢復(fù)。內(nèi)部軟恢復(fù)電路保證當(dāng)電源從短路狀態(tài)恢復(fù)時沒有過沖，如圖6所示。

圖6.短路測試。

LTC3866 可與一個電源模塊配合使用，以實現(xiàn)更緊湊的設(shè)計和非常高的電流。圖 7 示出了一款基于 2× 并聯(lián) LTC3866 + 電源模塊方案的雙相、高效率、1.5V/80A 電源。雖然功率模塊中電感的DCR僅為0.53mΩ，但在直流和瞬態(tài)條件下均流性能均出色，如圖8所示。

圖7.一款基于并聯(lián) LTC3866 和電源模塊的高效率、1.5V/80A 電源。

圖8.圖7中1.5V/80A電源的均流性能。

在更高值 DCR 電感器或 R 的應(yīng)用意義使用時，LTC3866 可像任何典型電流模式控制器一樣使用，方法是停用 SNSD+ 引腳，將其短路至地。安·意義電阻或RC濾波器可用于檢測輸出電感信號并連接到SNSA+引腳。如果使用RC濾波器，則其時間常數(shù)R?C設(shè)置為等于輸出電感的L/DCR。在這些應(yīng)用中，電流限制，V感應(yīng)（最大），對于指定的 ILIM，是其五倍，SNSA+ 和 SNS– 的工作電壓范圍為 0V 至 5.25V。不使用內(nèi)部差分放大器，可以產(chǎn)生5V的輸出電壓，如圖9所示。熱測試表明，在沒有任何氣流的情況下，滿載時的熱點（電感）溫度約為57.3°C，如圖10所示，其中環(huán)境溫度為25°C。

圖9.高效電源，12V輸入至5V/25A輸出。

圖10.圖9所示電路的熱測試。

結(jié)論

LTC3866 為其小型 4mm × 4mm 24 引腳 QFN 封裝提供了一套超大的功能。具有電流模式控制的獨特、超低 DCR 電流檢測使 LTC3866 非常適合于具有高效率和高可靠性的低電壓、高電流應(yīng)用。跟蹤、強大的片上驅(qū)動器、多芯片操作和外部同步功能填補了其功能菜單。LTC3866 非常適合于計算機(jī)和電信系統(tǒng)、工業(yè)和醫(yī)療儀器以及 DC 配電系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷