低 DCR 檢測(cè)電流模式控制器比電壓模式控制器有更多優(yōu)勢(shì)

背景信息

最新一代微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 需要以更低的工作電壓提供更大的電流，因此使電流檢測(cè)元件的電阻盡可能小以最大限度地降低電源傳導(dǎo)損耗變得更加重要。然而，低電阻電流檢測(cè)元件產(chǎn)生的斜坡電壓較低，這在使用電流模式控制器時(shí)，不利于穩(wěn)定運(yùn)行。低斜坡電壓導(dǎo)致采用電流模式控制方法的開關(guān)電源有顯著抖動(dòng)，在很多應(yīng)用中，開關(guān)電源可能變得不穩(wěn)定。因此，通常由電壓模式控制器取而代之，盡管電壓模式控制器也有不足之處，并可能出現(xiàn)可靠性問(wèn)題。

盡管如此，采用電流模式控制方法的開關(guān)電源與電壓模式控制器相比仍有以下幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：

1. 可靠性更高，快速、逐周期電流檢測(cè)適用于輸出短路和過(guò)載保護(hù)。采用電壓模式控制方法的電源對(duì)過(guò)流情況的響應(yīng)較慢，在有些應(yīng)用中可能導(dǎo)致故障。

2. 簡(jiǎn)單和可靠的反饋環(huán)路補(bǔ)償，電源全部采用陶瓷輸出電容器也可以穩(wěn)定，有助于組成尺寸更小的解決方案。

3. 在大電流多相設(shè)計(jì)中易于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的均流。

4. 更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

不過(guò)，就大電流輸出 (一般高于 10A) 而言，DCR 很小的電感器不能產(chǎn)生足夠高的電壓斜坡信號(hào)，不能使電流模式控制器在所有工作條件下都穩(wěn)定。因此，電壓模式控制器一直使用到現(xiàn)在!

凌力爾特最新推出的 LTC3774 是一款電流模式雙輸出 DC/DC 降壓型控制器，該器件能夠檢測(cè)非常低的斜坡電壓，并保持卓越的穩(wěn)定性。這款控制器提供真正的電流模式控制，可與 DC 電阻低于 1mΩ 的電感器一起使用，并仍然保持穩(wěn)定性。過(guò)去，當(dāng)采用電流模式控制方式時(shí)，電感器的 DCR 必須遠(yuǎn)高于 1mΩ。由于電感器中的功耗，所以這種較高的 DCR 限制了最大輸出電流，其一般情況下低于 10A。

低 DCR 檢測(cè)電流模式控制器

LTC3774 是一款電流模式雙輸出同步降壓型 DC/DC 控制器，通過(guò)提高電流檢測(cè)信號(hào)，允許使用 DC 電阻 (DCR) 非常小的功率電感器?？梢允褂?DCR 低至 0.2mΩ 的功率電感器，以在大電流應(yīng)用中，最大限度地提高轉(zhuǎn)換器效率，使其高達(dá) 95%，并提高功率密度，降低輸出紋波電壓。這種全新 DCR 檢測(cè)方法還能降低通常與小 DCR 電阻應(yīng)用有關(guān)的開關(guān)抖動(dòng)。DCR 溫度補(bǔ)償在很寬的溫度范圍內(nèi)保持恒定和準(zhǔn)確的限流門限。

LTC3774 與 Power Block、DrMOS 等外部功率鏈器件以及分立式 N 溝道 MOSFET 和有關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器一起使用，允許靈活的設(shè)計(jì)配置。LTC3774 在 4.5V 至 38V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，產(chǎn)生 0.6V 至 3.5V 的固定輸出電壓?？梢圆⒙?lián)的相位多達(dá) 12 個(gè)，而且可以采用不同相的時(shí)鐘，以最大限度地降低輸入和輸出濾波要求，滿足非常高的電流要求 (高達(dá) 360A)。

LTC3774 提供 200kHz 至 1.2MHz 可選固定工作頻率，也可同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。雙差分放大器對(duì)兩個(gè)輸出電壓提供真正的遠(yuǎn)端輸出電壓檢測(cè)。其可調(diào)電流限制可配置為適合非常低的 10mV 至 30mV 檢測(cè)電壓，以最大限度降低功耗。

典型應(yīng)用

為在 DCR 值非常低的情況下使用，LTC3774 運(yùn)用了全新方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以將檢測(cè)信號(hào)的噪聲靈敏度降低 14dB。DCR 檢測(cè)正變得日益流行，因?yàn)檫@種方法不使用昂貴的電流檢測(cè)電阻器，而且能效更高，尤其是在大電流應(yīng)用中。然而，隨著 DCR 值降至低于 1mΩ，信噪比會(huì)變得很低，電流檢測(cè)難以進(jìn)行。LTC3774 采用專有方法解決了這個(gè)問(wèn)題。大體上，外部元件選擇由負(fù)載要求主導(dǎo)，從選擇 DCR 和電感器值開始。接下來(lái)選擇功率 MOSFET，最后選擇輸入和輸出電容器。

在圖 1 所示的原理圖中，LTC3774 與作為功率鏈器件的 DrMOS 一起使用。DrMOS 包括功率 MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng)器，這可以簡(jiǎn)化電路、減輕熱設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)并有助于構(gòu)成更緊湊的解決方案。這個(gè)電路以標(biāo)稱 12V 輸入工作，在電流高達(dá) 60A 時(shí)產(chǎn)生 1.5V 輸出。使用一個(gè) DCR = 0.32mΩ 的電感器以最大限度地將效率提高到 90% 以上，如圖 2 所示。

圖 1：LTC3774 典型應(yīng)用原理圖 (12VIN 至 1.5VOUT/60A)

圖 2：圖 1 所示的 LTC3774 電路中每相之效率曲線

在低負(fù)載電流時(shí)，LTC3774 可以進(jìn)入高效率突發(fā)模式 (Burst Mode?)、恒定頻率脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式。當(dāng)配置為突發(fā)模式工作并在輕負(fù)載情況下，轉(zhuǎn)換器將突發(fā)產(chǎn)生幾個(gè)脈沖，以保持輸出電容器上的充電電壓。然后關(guān)斷轉(zhuǎn)換器，進(jìn)入休眠模式，這時(shí)大多數(shù)內(nèi)部電路都關(guān)斷。輸出電容器提供負(fù)載電流，當(dāng)輸出電容器上的電壓降至所設(shè)定的值時(shí)，轉(zhuǎn)換器重新啟動(dòng)，從而提供更大的電流以補(bǔ)充充電電壓。這種方式顯著地提高了輕負(fù)載效率。

LTC3774 采用恒定頻率峰值電流模式控制架構(gòu)。這種架構(gòu)在電源相位之間保證逐周期峰值電流限制和均流。該器件獨(dú)特的架構(gòu)提高了電流檢測(cè)電路的信噪比，因此尤其適用于低電壓、大電流電源。信噪比的提高可以最大限度地降低開關(guān)噪聲引起的抖動(dòng)，這種抖動(dòng)可能引起信號(hào)錯(cuò)誤。與標(biāo)準(zhǔn)電流模式控制器相比，該器件可將最嚴(yán)重的開關(guān)抖動(dòng)降低 60%。

此外，LTC3774 包括兩個(gè)電流檢測(cè)引腳 (SNSD+ 和 SNSA+)，以采集并在內(nèi)部處理斜坡信號(hào)，針對(duì)低壓檢測(cè)信號(hào)提供 14dB 信噪比改進(jìn)。限流門限是電感器峰值電流及其 DCR 值的函數(shù)，可以在 10mV 至 30mV 內(nèi)以 5mV 步進(jìn)準(zhǔn)確設(shè)定。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，器件至器件的限流誤差僅為 1mV，從而確保卓越的準(zhǔn)確度。

在需要電感器 DCR 值或檢測(cè)電阻器較大的應(yīng)用中，通過(guò)將 SNSD+ 引腳短接至地來(lái)禁止該引腳，LTC3774 可以像任何典型電流模式控制器一樣配置。RC 濾波器可用來(lái)檢測(cè)輸出電感器信號(hào)。如果使用 RC 濾波器，那么其時(shí)間常數(shù) R ? C 可設(shè)定為等于輸出電感器的 L/DCR。在這類應(yīng)用中，電流限制通常是規(guī)定電流檢測(cè)值的 5 倍。

快速瞬態(tài)響應(yīng)

圖 3 顯示的是，用圖 1 所示電路測(cè)試時(shí)，15A 至 30A 階躍負(fù)載的輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)。輸出電壓在不到 50μs 時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，與標(biāo)稱電壓的最大偏差僅為 75mV。

圖 3：LTC3774 在 15A 至 30A 階躍負(fù)載時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)

結(jié)論

LTC3774 允許使用 DCR 值非常低的電流檢測(cè)元件，以在大電流應(yīng)用中提高效率。其電流模式控制方式與電壓模式控制器相比有很多優(yōu)勢(shì)，包括高可靠性、快速逐周期電流檢測(cè)、簡(jiǎn)單的反饋環(huán)路補(bǔ)償、快速瞬態(tài)響應(yīng)和允許使用全陶瓷電容器以設(shè)計(jì)尺寸最小的解決方案。LTC3774 非常適用于需要高效率和高可靠性的低壓、大電流降壓型轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。LTC3774 是負(fù)載點(diǎn)計(jì)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)的理想選擇。最終，電源設(shè)計(jì)師可擁有一個(gè)采用最佳電流和電壓模式控制方法的控制器了。