具有超低电感DCR检测的电流模式开关电源实现高效率和高可靠性

作者：Jian Li, Haoran Wu, and Gina Le

与电压模式开关电源相比，电流模式开关电源具有以下几个优点：（1） 具有快速、逐周期电流检测和保护功能，可靠性高;（2） 简单可靠的环路补偿—与所有陶瓷输出电容配合稳定;（3） 在大电流多相电源中轻松准确地均流。在大电流应用中，电流检测元件的功率损耗是一个问题，因此检测元件的电阻必须尽可能低。问题在于，低电阻检测元件产生的信噪比降低，因此开关抖动在高电流、高密度应用中成为一个问题。

LTC3866 解决了这一问题，它能够构建具有 <0.5mΩ 电流检测电阻的可靠电流模式开关电源。这款单相同步降压控制器通过板载栅极驱动器驱动所有 N 沟道功率 MOSFET 开关。它采用独特的架构，可增强电流检测信号的信噪比，允许使用极低直流电阻 （DCR） 功率电感器或低值电流检测电阻器，以最大限度地提高高电流应用中的效率。该特性可降低低 DCR 应用中常见的开关抖动。

该控制器具有 4.5V–38V 宽输入范围、具有精确 0.5% 基准的远程输出电压检测、使用电感器 DCR 检测时的可编程和温度补偿电流限制、无过冲的短路软恢复以及芯片热关断。

LTC3866 有助于为电信系统、工业和医疗仪器以及直流配电系统设计高效率、高功率密度和高可靠性解决方案。该控制器采用低热阻 24 引脚 4mm ×4mm QFN 和 24 引脚裸露焊盘 FE 封装。

特征

LTC3866 采用一种恒定频率峰值电流模式控制架构，从而保证了不同电源之间的逐周期峰值电流限制和均流。

它特别适合低电压、高电流电源，因为其独特的架构可增强电流检测电路的信噪比。这使其能够与极低 DCR（1mΩ 或更小）电感器产生的小检测信号一起工作，从而提高高电流电源的电源效率。改进的SNR可最大限度地减少开关噪声引起的抖动，因为开关噪声可能会破坏信号。LTC3866 可通过仔细的 PCB 布局检测低至 0.2mΩ 的 DCR 值，但在这种极端情况下，应考虑额外的 PCB 和焊接电阻。

如图 1 所示，LTC3866 包括两个正检测引脚 SNSD+ 和 SNSA+，用于采集信号并在内部对其进行处理，以提供 14dB （5×） 的信噪比改进，以响应低电压检测信号。电流限值门限仍然是电感峰值电流及其DCR值的函数，并且可通过ILIM引脚在10mV至30mV范围内以5mV步长精确设置。器件间电流限制误差在整个温度范围内仅为约1mV。

图1.LTC3866 电流检测方案，采用超低电感器 DCR。高电流路径以较粗的线条显示。

SNSD+路径的滤波时间常数R1•C1应等于输出电感的L/DCR，而SNSA+路径的滤波器应具有比SNSD+大五倍的带宽，即R2 • C2 = R1 • C1/5。额外的可选温度补偿电路可确保在宽温度范围内实现精确的电流限制，这在DCR检测中尤其重要。

LTC3866 还具有一个具一个保证限值为 ±0.5% 的精准 0.6V 基准，该基准可提供一个 0.6V 至 3.5V 的准确输出电压。其差分远程V外检测放大器使 LTC3866 成为低电压、高电流应用的理想选择。

应用

图2所示为一款高效率、1.5V/30A降压型转换器，具有极低的DCR检测。本设计使用DCR = 0.32mΩ的电感器，以最大限度地提高效率。

图2.高效率、1.5V/30A 降压转换器，具有极低的 DCR 检测。

不同操作模式下的效率如图3所示。在12V输入电压下，满载效率高达90.3%。与采用相同功率级设计的 1mΩ 检测电阻相比，该器件的电源性能提高了约 1.4%。在没有任何气流的情况下，热点（底部MOSFET）温升仅为39.6°C，如图4所示，其中环境温度约为23.8°C。

图3.电路的效率如图2所示。

图4.图2所示电路的热测试。

独特的设计提高了效率和噪声灵敏度。如图5所示，使用非常低的0.32mΩ电感DCR时，最坏情况下的开关节点抖动降低了60%。

图5.12V输入、1.5V/25A输出时的开关节点抖动比较。

LTC3866 的另一个独特特性是短路软恢复。内部软恢复电路保证当电源从短路状态恢复时没有过冲，如图6所示。

图6.短路测试。

LTC3866 可与一个电源模块配合使用，以实现更紧凑的设计和非常高的电流。图 7 示出了一款基于 2× 并联 LTC3866 + 电源模块方案的双相、高效率、1.5V/80A 电源。虽然功率模块中电感的DCR仅为0.53mΩ，但在直流和瞬态条件下均流性能均出色，如图8所示。

图7.一款基于并联 LTC3866 和电源模块的高效率、1.5V/80A 电源。

图8.图7中1.5V/80A电源的均流性能。

在更高值 DCR 电感器或 R 的应用意义使用时，LTC3866 可像任何典型电流模式控制器一样使用，方法是停用 SNSD+ 引脚，将其短路至地。安·意义电阻或RC滤波器可用于检测输出电感信号并连接到SNSA+引脚。如果使用RC滤波器，则其时间常数R•C设置为等于输出电感的L/DCR。在这些应用中，电流限制，V感应（最大），对于指定的 ILIM，是其五倍，SNSA+ 和 SNS– 的工作电压范围为 0V 至 5.25V。不使用内部差分放大器，可以产生5V的输出电压，如图9所示。热测试表明，在没有任何气流的情况下，满载时的热点（电感）温度约为57.3°C，如图10所示，其中环境温度为25°C。

图9.高效电源，12V输入至5V/25A输出。

图10.图9所示电路的热测试。

结论

LTC3866 为其小型 4mm × 4mm 24 引脚 QFN 封装提供了一套超大的功能。具有电流模式控制的独特、超低 DCR 电流检测使 LTC3866 非常适合于具有高效率和高可靠性的低电压、高电流应用。跟踪、强大的片上驱动器、多芯片操作和外部同步功能填补了其功能菜单。LTC3866 非常适合于计算机和电信系统、工业和医疗仪器以及 DC 配电系统。

审核编辑：郭婷