低 DCR 檢測電流模式控制器比電壓模式控制器有更多優(yōu)勢

背景信息

最新一代微處理器和數(shù)字信號處理器 (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，低電阻電流檢測元件產(chǎn)生的斜坡電壓較低，這在使用電流模式控制器時，不利于穩(wěn)定運行。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，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優(yōu)勢：

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

2. 簡單和可靠的反饋環(huán)路補償，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)計中易于實現(xiàn)準確的均流。

4. 更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

不過，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，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。過去，當采用電流模式控制方式時，電感器的 DCR 必須遠高于 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，通過提高電流檢測信號，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 95%，并提高功率密度，降低輸出紋波電壓。這種全新 DCR 檢測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。DCR 溫度補償在很寬的溫度范圍內(nèi)保持恒定和準確的限流門限。

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)動器一起使用，允許靈活的設(shè)計配置。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 12 個，而且可以采用不同相的時鐘，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 360A)。

LTC3774 提供 200kHz 至 1.2MHz 可選固定工作頻率，也可同步至一個外部時鐘。雙差分放大器對兩個輸出電壓提供真正的遠端輸出電壓檢測。其可調(diào)電流限制可配置為適合非常低的 10mV 至 30mV 檢測電壓，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 運用了全新方法進行設(shè)計和優(yōu)化，以將檢測信號的噪聲靈敏度降低 14dB。DCR 檢測正變得日益流行，因為這種方法不使用昂貴的電流檢測電阻器，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，信噪比會變得很低，電流檢測難以進行。LTC3774 采用專有方法解決了這個問題。大體上，外部元件選擇由負載要求主導(dǎo)，從選擇 DCR 和電感器值開始。接下來選擇功率 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)動器，這可以簡化電路、減輕熱設(shè)計負擔(dān)并有助于構(gòu)成更緊湊的解決方案。這個電路以標稱 12V 輸入工作，在電流高達 60A 時產(chǎn)生 1.5V 輸出。使用一個 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

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

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。該器件獨特的架構(gòu)提高了電流檢測電路的信噪比，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，這種抖動可能引起信號錯誤。與標準電流模式控制器相比，該器件可將最嚴重的開關(guān)抖動降低 60%。

此外，LTC3774 包括兩個電流檢測引腳 (SNSD+ 和 SNSA+)，以采集并在內(nèi)部處理斜坡信號，針對低壓檢測信號提供 14dB 信噪比改進。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 步進準確設(shè)定。在整個溫度范圍內(nèi)，器件至器件的限流誤差僅為 1mV，從而確保卓越的準確度。

在需要電感器 DCR 值或檢測電阻器較大的應(yīng)用中，通過將 SNSD+ 引腳短接至地來禁止該引腳，LTC3774 可以像任何典型電流模式控制器一樣配置。RC 濾波器可用來檢測輸出電感器信號。如果使用 RC 濾波器，那么其時間常數(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 所示電路測試時，15A 至 30A 階躍負載的輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)。輸出電壓在不到 50μs 時間內(nèi)恢復(fù)，與標稱電壓的最大偏差僅為 75mV。

圖 3：LTC3774 在 15A 至 30A 階躍負載時的瞬態(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，包括高可靠性、快速逐周期電流檢測、簡單的反饋環(huán)路補償、快速瞬態(tài)響應(yīng)和允許使用全陶瓷電容器以設(shè)計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 是負載點計算機和電信系統(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)計師可擁有一個采用最佳電流和電壓模式控制方法的控制器了。