緊湊型無(wú)RSENSE控制器具有快速瞬態(tài)響應(yīng)

數(shù)字電子的趨勢(shì)是降低電壓和增加負(fù)載電流。這給 DC/DC 轉(zhuǎn)換器帶來(lái)了壓力，要求他們從電壓變化越來(lái)越大的電源（例如堆疊電池和未穩(wěn)壓的中間電源總線(xiàn)）產(chǎn)生低電壓，因此電源轉(zhuǎn)換器必須針對(duì)低輸出電壓、低占空比和寬控制帶寬進(jìn)行優(yōu)化。為了滿(mǎn)足這些要求，DC/DC 控制器 IC 必須提供高電壓精度、良好的線(xiàn)路和負(fù)載調(diào)整率以及快速瞬態(tài)響應(yīng)。LTC3878 和 LTC3879 中使用的恒定導(dǎo)通時(shí)間谷值電流模式架構(gòu)非常適合于低占空比操作，從而提供了一種具有卓越系統(tǒng)性能的緊湊型解決方案。

LTC?3878 和 LTC3879 是新一代無(wú) RSENSE? 控制器，可滿(mǎn)足數(shù)字電子產(chǎn)品對(duì)低電壓電源的苛刻要求。LTC3878 是 LTC1778 的引腳兼容型替代品，適用于不需要 EXTVCC 的設(shè)計(jì)。LTC3879 為需要電壓跟蹤的應(yīng)用增加了單獨(dú)的 RUN 和 TRACK/SS 引腳。兩款器件均提供連續(xù)可編程的電流限制，使用底部 MOSFET VDS 電壓來(lái)檢測(cè)電流。

谷值電流模式控制簡(jiǎn)化了環(huán)路補(bǔ)償...

電流模式控制有兩種常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方式。峰值電流模式控制調(diào)節(jié)高端 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)間，而谷值電流模式調(diào)節(jié)底部側(cè) MOSFET 關(guān)斷時(shí)間。電流模式環(huán)路帶寬與峰值電流控制器的導(dǎo)通時(shí)間成反比，與谷值模式控制器的關(guān)斷時(shí)間成反比。導(dǎo)通時(shí)間為50ns的峰值電流模式控制器必須具有超過(guò)20MHz的閉合電流環(huán)路帶寬。對(duì)于谷值電流模式控制器，電流環(huán)路帶寬由220ns的典型關(guān)斷時(shí)間決定，因此閉合電流環(huán)路帶寬要求僅為4.5MHz。因此，與類(lèi)似應(yīng)用中的峰值電流模式控制相比，谷值電流模式控制對(duì)相同系統(tǒng)性能的帶寬要求不那么嚴(yán)格。這使得 LTC3878 和 LTC3879 能夠在合理的電流環(huán)路帶寬下提供高性能、低占空比操作。

LTC3878 和 LTC3879 的恒定導(dǎo)通時(shí)間谷值電流模式控制通過(guò)免除對(duì)斜率補(bǔ)償?shù)男枰?jiǎn)化了補(bǔ)償設(shè)計(jì)。固定頻率谷值模式控制器在占空比低于50%時(shí)需要斜率補(bǔ)償，以防止子周期振蕩。發(fā)生子周期振蕩是因?yàn)镻WM脈沖寬度并非僅由電感電流唯一決定。這種振蕩在恒定導(dǎo)通時(shí)間控制中不存在，因?yàn)镻WM脈沖寬度由內(nèi)部開(kāi)環(huán)脈沖發(fā)生器唯一確定。真正的電流模式控制和恒定導(dǎo)通時(shí)間相結(jié)合，使 LTC3878 和 LTC3879 相對(duì)于其他恒定導(dǎo)通時(shí)間穩(wěn)壓器或固定頻率谷值電流模式控制架構(gòu)具有性能優(yōu)勢(shì)。

...并縮短瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間

在降壓控制器中，瞬態(tài)響應(yīng)在很大程度上取決于電感電流對(duì)環(huán)路干擾的響應(yīng)速度。最苛刻的環(huán)路擾動(dòng)是負(fù)載階躍和負(fù)載釋放。

恒定導(dǎo)通時(shí)間架構(gòu)的固有速度優(yōu)勢(shì)在于，穩(wěn)壓器采用脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 而不是脈寬調(diào)制 （PWM）。雖然開(kāi)關(guān)頻率在穩(wěn)態(tài)操作中是固定的，但它可以根據(jù)輸出負(fù)載階躍或負(fù)載釋放的需要增加或減少。

響應(yīng)負(fù)載階躍的最大頻率由導(dǎo)通時(shí)間加上關(guān)斷時(shí)間決定：

在低占空比應(yīng)用中，最大頻率通常遠(yuǎn)大于標(biāo)稱(chēng)工作頻率，從而產(chǎn)生出色的瞬態(tài)特性。

圖1顯示了工作頻率為12kHz的1V至2.400V轉(zhuǎn)換器的負(fù)載階躍響應(yīng)。在這種情況下，導(dǎo)通時(shí)間等于250ns，最小關(guān)斷時(shí)間為220ns?？捎糜陧憫?yīng)負(fù)載階躍的最大頻率為 2.12MHz，是標(biāo)稱(chēng)開(kāi)關(guān)頻率的五倍以上。注意 V 開(kāi)關(guān)頻率的增加西 南部響應(yīng) 10A 負(fù)載階躍的波形。開(kāi)關(guān)頻率的增加導(dǎo)致恒定導(dǎo)通時(shí)間PFM控制器中的電感電流比真正的固定頻率PWM中的衰減速度更快。

圖1.瞬態(tài)響應(yīng)，正負(fù)載階躍。

響應(yīng)負(fù)載釋放（圖 2），最小頻率實(shí)際上為零，因?yàn)橹灰枰獙㈦姼须娏餍睖p小到內(nèi)部調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)，底部柵極就會(huì)保持高電平。在本例中，當(dāng)輸出從負(fù)載階躍恢復(fù)時(shí)，電感電流在11μs內(nèi)從8A斜坡上升至–13A。對(duì)于這兩種負(fù)載瞬態(tài)情況，在瞬態(tài)恢復(fù)方面，變頻比固定頻率具有固有的速度優(yōu)勢(shì)。

圖2.瞬態(tài)響應(yīng)，負(fù)載釋放。

瞬態(tài)建立既需要電感電流的大信號(hào)斜坡上升，也需要輸出穩(wěn)定建立到所需的調(diào)節(jié)點(diǎn)。輸出過(guò)沖或振鈴過(guò)大表明系統(tǒng)穩(wěn)定性邊緣，可能是由于補(bǔ)償不足造成的?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算增益交越頻率進(jìn)行粗略的補(bǔ)償檢查，下式給出（其中 VREF = 0.8V 對(duì)于 LTC3878，VREF = 0.6V 對(duì)于 LTC3879）：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，增益交越頻率應(yīng)小于開(kāi)關(guān)頻率的20%。對(duì)于任何模擬系統(tǒng)，瞬態(tài)響應(yīng)由閉環(huán)帶寬決定。為了優(yōu)化瞬態(tài)性能，需要具有小電感和寬閉環(huán)帶寬。需要一個(gè)小電感來(lái)實(shí)現(xiàn)快速輸出電流響應(yīng)，而閉環(huán)帶寬和相位裕量決定了輸出在負(fù)載階躍后建立的速度。

啟動(dòng)選項(xiàng)

LTC3878 通過(guò)組合的 RUN/SS 引腳提供了電流限制啟動(dòng)的簡(jiǎn)單性。當(dāng)RUN/SS大于0.7V時(shí)，所有內(nèi)部偏置均被激活。一旦 RUN/SS 超過(guò) 1.5V，開(kāi)關(guān)開(kāi)始。電流限值隨著 RUN/SS 引腳電壓的斜坡而逐漸增加，直到在大約 3V 時(shí)達(dá)到全輸出。

LTC3879 增加了單獨(dú)的 RUN 和 TRACK/SS 引腳的靈活性。當(dāng) RUN 超過(guò) 0.7V 時(shí)，所有內(nèi)部偏置均被激活。當(dāng) RUN 超過(guò) 1.5V 時(shí)開(kāi)始切換。TRACK/SS 引腳還可用于輸入電壓跟蹤，其中 LTC3879 的輸出跟蹤 TRACK/SS 引腳上的電壓，直到其超過(guò) 0.6V。一旦 TRACK/SS 超過(guò) 0.6V，輸出將調(diào)節(jié)至內(nèi)部 0.6V 基準(zhǔn)。當(dāng)一個(gè)小電容器連接到 TRACK/SS 時(shí)，一個(gè)內(nèi)部 1μA 上拉電流可用于產(chǎn)生一個(gè)軟啟動(dòng)電壓斜坡。 RUN 和 TRACK/SS 共同支持多種啟動(dòng)電源排序和跟蹤選項(xiàng)。

LTC3878 和 LTC3879 均能夠啟動(dòng)至預(yù)偏置輸出。由于 LTC3878 中的電流限制呈斜坡上升，因此預(yù)偏置輸出電壓不是問(wèn)題。LTC3879 輸出跟蹤 TRACK/SS 引腳上的輸入。為了適應(yīng)預(yù)偏置輸出，LTC3879 在 TRACK/SS 引腳超過(guò) VFB 電壓之前不會(huì)切換。一旦 TRACK/SS 超過(guò) VFB，輸出將跟隨 TRACK/SS 引腳進(jìn)入連續(xù)導(dǎo)通模式，直到輸出調(diào)節(jié)至內(nèi)部基準(zhǔn)。

在圖 3 中，LTC3879 輸出被預(yù)偏置至 0.5V。當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)始時(shí)，TRACK/SS引腳從零開(kāi)始斜坡上升，并在大約28ms時(shí)穿過(guò)預(yù)偏置輸出反饋點(diǎn)。一旦開(kāi)關(guān)開(kāi)始，輸出將享有平滑的軟啟動(dòng)斜坡。LTC3879 在啟動(dòng)期間以連續(xù)導(dǎo)通模式工作，而不管模式設(shè)置如何，因而允許在軟起動(dòng)期間將輸出電壓調(diào)節(jié)至 TRACK/SS 輸入引腳電壓。

圖3.啟動(dòng)至預(yù)偏置輸出。

高效率

LTC3878 和 LTC3879 通過(guò)強(qiáng)柵極驅(qū)動(dòng)器和較短死區(qū)時(shí)間的組合提供了卓越的效率。頂部柵極驅(qū)動(dòng)器提供2.5Ω上拉電阻和1.2Ω下拉電阻，而底部柵極驅(qū)動(dòng)器提供2.5Ω上拉電阻和0.7Ω下拉電阻。死區(qū)時(shí)間的測(cè)量值低至 12ns，從而將開(kāi)關(guān)損耗降至最低。在 91.8V/1A 應(yīng)用中，效率測(cè)量為 2.20%。

LTC3878 和 LTC3879 同時(shí)提供了非連續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM） 和連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 操作。圖4顯示了CCM中90V和12A的峰值效率超過(guò)15%。在 CCM 中，頂部 MOSFET 或底部 MOSFET 處于活動(dòng)狀態(tài)，輸出電感持續(xù)導(dǎo)通。在DCM中，頂部和底部MOSFET可以同時(shí)關(guān)閉，以提高低電流效率。在圖4中，在100mA時(shí)，DCM的效率大于70%，而CCM的效率僅為20%。當(dāng)負(fù)載小于穩(wěn)態(tài)紋波電流的直流平均值時(shí)，DCM的效率會(huì)提高，從而導(dǎo)致穩(wěn)壓器進(jìn)入不連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)。

圖4.應(yīng)用效率見(jiàn)圖5。

應(yīng)用示例：4.5V 至 28V 輸入至 1.2V 輸出，峰值效率為 90%

圖5所示應(yīng)用在15A時(shí)將4.5V至28V寬輸入電壓轉(zhuǎn)換為1.2V ±5%輸出。標(biāo)稱(chēng)紋波電流選擇為35%，從而產(chǎn)生0.55μH電感和5.1A紋波電流。由于頂部MOSFET導(dǎo)通時(shí)間很短，因此RJF0305DPB （RDS（ON） = 10mΩ （標(biāo)稱(chēng)值），CMILLER = 150pF，VMILLER = 3V）就足夠了。底部MOSFET選擇更強(qiáng)的RJK0330DPB，典型RDS（ON）為3.8mΩ。這導(dǎo)致 90% 的峰值效率。請(qǐng)注意，圖1-4中的效率、瞬態(tài)和啟動(dòng)波形取自本設(shè)計(jì)示例。

圖5.寬輸入范圍：1.2V/15A，工作頻率為400kHz。

圖 6 示出了一款采用 1.2V/20A 輸出、300kHz 應(yīng)用設(shè)計(jì)的 LTC3879，具有同步軌跟蹤功能。在同步跟蹤中，兩個(gè)電源協(xié)同上升，直到較低電壓電源達(dá)到穩(wěn)壓，此時(shí)較高電壓電源繼續(xù)斜坡上升至其穩(wěn)壓值。通過(guò)使從主電壓到 TRACK/SS 引腳的電阻分壓器等于從 VOUT 到 VFB 的反饋分壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)同步跟蹤。在圖6中，輸出為1.2V，因此分壓器等于0.6V/1.2V或0.5。該設(shè)計(jì)可跟蹤等于或大于1.2V的任何主電源。在調(diào)節(jié)中，TRACK/SS 引腳應(yīng)大于 0.65V，以確保 LTC3879 具有足夠的裕量，以便從跟蹤 TRACK/SS 輸入電壓切換到調(diào)節(jié)至內(nèi)部基準(zhǔn)。

圖6.同步跟蹤示例在 1A 時(shí)產(chǎn)生 2.20V，工作頻率為 300kHz。

圖7顯示了圖6中應(yīng)用的典型跟蹤波形。VOUT和基準(zhǔn)電源電壓VMASTER相等，并在啟動(dòng)期間一起跟蹤，直到達(dá)到1.2V，此時(shí)VOUT調(diào)節(jié)至1.2V，而VMASTER繼續(xù)斜坡上升至1.8V。

圖7.圖6所示應(yīng)用的同步跟蹤波形。

結(jié)論

LTC3878 和 LTC3879 支持 4V 至 38V （絕對(duì)最大值為 40V） 的 VIN 范圍。穩(wěn)定的輸出電壓可在低至 0.8V （針對(duì) LTC3878） 和 0.6V （針對(duì) LTC3879） 的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置。在整個(gè) –40°C 至 85°C 溫度范圍內(nèi)，輸出調(diào)節(jié)精度為 ±1%。工作頻率可通過(guò)電阻器編程，并針對(duì) VIN 的變化進(jìn)行補(bǔ)償。電流限值是連續(xù)可編程的，無(wú)需檢測(cè)電阻即可利用外部同步底部 MOSFET 兩端的壓降進(jìn)行測(cè)量。

谷值電流模式架構(gòu)非常適合低占空比操作，并在合理的電流環(huán)路帶寬下提供非常低的輸出電壓。補(bǔ)償易于設(shè)計(jì)，即使使用低 ESR 陶瓷輸出電容器也能提供穩(wěn)健穩(wěn)定的操作。LTC3878 提供了電流限制啟動(dòng)，而 LTC3879 則具有獨(dú)立的運(yùn)行和輸出電壓跟蹤引腳。LTC3878 采用 GN16 封裝，LTC3879 采用耐熱性能增強(qiáng)型 MSE16 和 QFN （3mm × 3mm） 封裝。卓越的性能和緊湊的尺寸使 LTC3878 和 LTC3879 非常適合小型、嚴(yán)格受限的應(yīng)用，例如分布式電源、嵌入式計(jì)算和負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用。

審核編輯：郭婷