電源可與FET驅動器、DrMOS和電源模塊配合使用

隨著微處理器在較低電壓下逐漸需要更多電流，因此通過將電源放置在盡可能靠近負載的位置來最小化傳導損耗變得非常重要。這增加了負載附近每平方毫米電路板空間的值，尤其是在使用多個功率級時。將 DC/DC 控制器放置在遠離高電流路徑的位置也很重要，當 MOSFET 柵極驅動器位于控制器封裝中時，這可能很困難，因為柵極走線也必須保持短。有時，最好的解決方案是使用外部動力傳動系器件或分立式N溝道MOSFET和相關柵極驅動器。

LTC?3860 是一款雙輸出降壓型 DC/DC 控制器，專為與驅動器或功率傳動系器件 （如 DrMOS 和電源模塊） 配合使用而設計而設計，從而實現(xiàn)了具有多相操作的靈活設計配置。最多可并聯(lián) 12 級以增加輸出電流，并可并聯(lián)異相以最大限度地減少輸入和輸出濾波（圖 1）。在多相配置中，兩個輸出電壓（V?外） 和接地端子使用單個差分放大器進行監(jiān)控，即使在通過過孔、走線和互連發(fā)生 IR 損耗的情況下也能實現(xiàn)嚴格調節(jié)。600mV基準的精度進一步增強了調節(jié)能力，結溫為0°C至85°C時，該精度為±0.75%。

圖1.采用 LTC3860 的 12 相降壓型轉換器的引腳互連

電壓模式操作可確保每相電流高達30A，同時保持穩(wěn)定的開關波形。在電流模式轉換器中，誤差放大器輸出端的電壓控制峰值或谷值開關電流，因此必須始終監(jiān)控開關電流。對于小于100mV的典型檢測電壓和電阻小于1mΩ的電流檢測元件，噪聲的引入始終是一個問題。相比之下，LTC3860 比較了 V 上的差分檢測誤差電壓外到鋸齒坡道，大約 1V 左右。斜坡控制占空比——誤差電壓越大，每相頂部開關保持導通的時間越長。

采用集成驅動器 MOSFET （DrMOS） 的兩相、單輸出穩(wěn)壓器

考慮到對高功率密度、高開關頻率下效率的提高以及控制器和功率設備之間的互操作性的需求，英特爾發(fā)布了一套集成驅動器 MOSFET （DrMOS） 的技術規(guī)范，用于為其微處理器供電的降壓型 DC/DC 轉換器。緊湊的布局減少了雜散電感造成的效率損失。幾家制造商已經生產了兼容的設備。它們預計工作在 >500kHz （最好為 1MHz），從 5V–16V 輸入在 ~1V 下每相提供 25A 電流，并占用 8mm × 8mm 或 6mm 封裝×具有定義的引腳排列。它們必須接受 PWM 輸入，該輸入用于在輸入為高電平或低電平時交替打開和關閉頂部和底部 MOSFET。必須能夠關閉兩個MOSFET（三態(tài)），方法是使PWM引腳懸空或將DrMOS的DISB引腳拉低。需要一個外部電感器。

LTC3860 提供了一個與 DrMOS 兼容器件相兼容的 PWM 信號。例如，仙童 FDMF8704 DrMOS 的額定工作頻率高達 1MHz/每相 25A，而 LTC3860 可針對一個 200kHz–1.2MHz 的開關頻率進行編程。FDMF8704 將 LTC3860 的高電平和低電平命令解釋為頂部 MOSFET 導通和底部 MOSFET 導通。該 DrMOS 無法識別 PWM 引腳上的三態(tài)信號，但當其 DISB 引腳被拉低時，其兩個 MOSFET 都會關斷。LTC3860 的 PWMEN 在 PWM 為高電平或低電平時通過一個漏極開路將拉高。當PWM為三態(tài)時，一個外部電阻將PWMEN引腳拉低。因此，功率級的三態(tài)操作是通過將 LTC3860 的 PWMEN 引腳連接到 DrMOS 的 DISB 引腳來實現(xiàn)的。

圖2是一個兩相單輸出轉換器的原理圖，在每個功率級中使用FDMF8704來產生一個1V、50A轉換器。通過連接CLKIN低電平和FREQ高電平來選擇600kHz的開關頻率。有效頻率為1.2MHz，因為兩個通道180°異相工作。

圖2.每個功率級使用 FDMF8704 的兩相單輸出轉換器，可產生一個包含全陶瓷輸出電容器的 1V、50A 轉換器

通過減少時鐘周期之間的延遲，高開關頻率改善了瞬態(tài)響應。所有陶瓷輸出電容器均可穩(wěn)定工作，其低 ESR 可最大限度地降低輸出紋波。圖3顯示了轉換器對大負載階躍的瞬態(tài)響應。

圖3.圖2所示轉換器的負載瞬態(tài)響應

電壓模式轉換器的一個常見缺點是，當它們組合在一起以增加功率能力時，它們不能很好地協(xié)同工作。它們通常使用板載運算放大器的輸出作為環(huán)路補償節(jié)點。由于這些輸出是低阻抗的，因此不能僅僅將它們連接在一起以平衡來自每個功率級的電流。每個相位都需要一個外部電路。

LTC3860 具有內部均流功能，并且只需要簡單的引腳配置和 I 上的一個外部電容器平均固定以一起運行階段。我平均PIN存儲對應于所有相位的瞬時平均電流的電荷。從通道的FB引腳連接到INTV抄送，單個差分放大器位于主站FB引腳之前，每個TRACK/SS、COMP和輸出相互連接。功率級現(xiàn)在處于主動平衡狀態(tài)。一個電源良好指示器 PGOOD1 報告欠壓和過壓事件。

相位間的最大電流檢測失配為同一IC或不同IC上通道之間的最大電流檢測失配±2mV。這意味著在多相應用中，通道之間的緊密均流，特別是當電流檢測元件匹配良好時。在這里，伍爾特744355019電感器的直流電阻被規(guī)定為在20°C時的容差為±10%。 圖4a和4b顯示，在負載瞬變期間，電感電流水平彼此緊密跟隨。

圖4.圖2所示的轉換器顯示了負載瞬變兩側的穩(wěn)定均流：（a）上升沿;（b） 下降沿。

差分放大器提供輸出電壓的遠程檢測。V中新社和 VSNSN綁定到 V外和負載點的 PGND。這些引腳之間的電位以單位增益轉換為V之間的電位SNSOUT和SGND。VSNSOUT綁定到導致主通道FB的反饋字符串。這種安排克服了由于電路板互連損耗引起的誤差，這通常會導致電源接地和SGND之間的電壓偏移。對于此1V輸出，空載和滿載V之間的差異外典型值僅為 1mV。

當效率是重中之重時

當效率比最小化電路板空間更重要時，在相對較低的開關頻率下操作 LTC3860 可降低開關損耗，而增加一個同步 MOSFET 可降低導通損耗，尤其是在轉換器以低占空比運行時。由于DrMOS封裝僅包含一個主MOSFET和一個同步MOSFET，因此使用分立式FET和驅動器變得非常有益。強大的 LTC4449 驅動器非常適合于該任務。

LTC4449 專為驅動一個同步 DC/DC 轉換器中的頂部和底部 MOSFET 而設計。它接受高、低和三態(tài)輸入，其閾值與LTC3860電源成比例，因為LTC4449 V邏輯與LTC3860 V的電位相同抄送.五世抄送的 LTC3860 的電壓范圍為 3V 至 5.5V，如果其降至欠壓閉鎖 （UVLO） 門限以下 （下降 2.9V，上升 3.0V），則 LTC3860 的兩個通道都將被停用。UVLO 確保驅動程序僅在 V抄送處于安全水平。

為實現(xiàn)最高效率，LTC4449 的頂部柵極具有 8ns 和 7ns 的上拉和下拉時間;底部柵極，7ns 和 4ns，同時查看 3000pF 負載。自適應擊穿保護可確保死區(qū)時間足夠短以避免功率損耗，但又不會太短以至于發(fā)生交叉?zhèn)鲗?。該驅動器采用扁平?2mm × 3mm DFN 封裝。

圖 5 示出了采用 LTC4449 和分立式 MOSFET 的單通道、400kHz、單相轉換器的原理圖。圖6顯示了與使用相同無源元件以相同頻率運行的DrMOS解決方案相比效率的提高。

圖5.LTC3860 能夠使用 LTC4449 來驅動分立式 MOSFET。增加了一個同步MOSFET以提高效率。

圖6.圖5所示電路顯示，與典型的DrMOS解決方案相比，效率有所提高。折衷在于電路板空間——DrMOS占用36mm2或 64 毫米2，驅動器和三個MOSFET占據101mm2，不包括連接組件的走線。

分立式 MOSFET 還提供高于 DrMOS 要求 （16V） 的輸入電壓能力。LTC3860 的 VINSNS 引腳連接到主 MOSFET 漏極處的電源，可處理高達 24V 的電壓。這使得 LTC3860 應用能夠受益于各制造商提供的大量 30V MOSFET。

通過將 FREQ 和 CLKIN 引腳接低電平來設置工作頻率。其他開關頻率（從 250kHz 到 1.25MHz）可以使用單個電阻器從 FREQ 到地進行編程，或者與外部信號源同步，如果同步信號發(fā)生中斷，則可以平滑地在電阻設置頻率之間轉換。同步無需外部PLL濾波器組件。

VINSNS引腳監(jiān)視輸入電壓，并立即以與V成反比的方式調整占空比在，繞過反饋循環(huán)。此功能帶來了兩個好處：一組補償值適用于整個 V在范圍，以及線路瞬態(tài)偏差（以 V 為單位）外最小值，如圖 7 所示。

圖7.通過其 VINSNS 引腳，LTC3860 提供了線路前饋補償，從而防止了穩(wěn)態(tài)和 V 的動態(tài)變化外當 V在不是恒定的。

ILIM 引腳提供了一個用于設置電流限值的手柄。它通過一個外部電阻器提供 20μA 電流，提供與電流限值成比例的電壓。當達到電流限值時，LTC3860 對 PWM 輸出進行三態(tài)處理，復位軟起動定時器，并等待 32768 個開關周期，然后再重新啟動 （圖 8）。

圖8.LTC3860 的短路行為

LTC3860 能夠啟動至一個預偏置輸出。當 TRACK/SS 電壓低于 FB 處的電壓時，LTC3860 將不會切換 （刷新脈沖除外，刷新脈沖使升壓電容器保持充電狀態(tài)）。當 TRACK/SS 超過 FB 時，開關開始，但電感電流不允許反轉，直到輸出達到調節(jié)，當連續(xù)導通模式開始時。因此，允許輸出緩慢上升（圖9）。

圖9.啟動至分立式 MOSFET 應用的預偏置輸出

當需要簡單性時

設計人員可以選擇在小型印刷電路板上指定整個功率級，而不是選擇功率級組件。它被稱為功率模塊，包括 MOSFET、一個 MOSFET 驅動器、一個電感器和最小的輸入和輸出電容器。電氣和機械連接是通過表面安裝到主板上的支座進行的。

還提供用于溫度檢測和電感 DCR 檢測的連接。它們通常工作在 12V 輸入，開關頻率為 400kHz–500kHz，源電流為 20A–40A。與DrMOS不同，電源塊不占用標準尺寸。

LTC3860如圖10所示，與一個三角形電源模塊耦合。這種高電流、400kHz、兩相應用可在其輸出端提供45A電流。由于每個通道相對于另一個通道異相工作 180°，因此有效開關頻率加倍，從而最大限度地減少輸入和輸出電容器上的應力。電源模塊的物理尺寸約為 1.0“L × 0.5”W × 0.5“H，從而產生較小的解決方案尺寸。板載MOSFET提供頂部散熱器，在<55°C時需要200LFM氣流。

圖 10.2相單輸出轉換器，功率級采用45A三角形電源模塊

這款多功能控制器的一些選項

本文介紹的應用使用電感兩端的壓降來檢測均流和電流限制。如果功率損耗略有增加是可以接受的，則使用與電感串聯(lián)的分立檢測電阻可以實現(xiàn)更高的精度。這里的應用還具有1.x范圍內的輸出電壓。輸出也可低至 0.6V（基準電壓）或高至 4V（差分放大器的最大輸出電壓），在 –40°C 至 125°C 的工作溫度范圍內具有 ±1% 的基準電壓精度。

與此處應用使用的默認2ms軟啟動不同，每個輸出也可以進行可調軟啟動（>2ms）和跟蹤。通過從 TRACK/SS 到地增加 >10nF 來實現(xiàn)更長的軟啟動時間。跟蹤是通過以小于0.6V的直流電壓驅動引腳來實現(xiàn)的。輸出調節(jié)至內部 600mV 基準電壓中的最低值、TRACK/SS 引腳上的電壓或該通道的內部軟啟動斜坡。

結論

LTC?3860 是一款電壓模式降壓型控制器，其支持多達 12 相并聯(lián)和片內均流。該器件可與 DrMOS、電源模塊或分立式 MOSFET 以及 LTC4449 驅動器配合使用。由于 LTC3860 具有一個 PWM 輸出而不是片內 MOSFET 驅動器，因此它可以占用電路板空間，遠離關鍵的高電流路徑。其應用包括大電流配電和工業(yè)系統(tǒng)，以及電信、DSP 和 ASIC 電源。LTC3860 采用 32 引腳 5mm × 5mm QFN 封裝。

審核編輯：郭婷