新型無RSENSE控制器提供極低輸出電壓

數(shù)字系統(tǒng)電壓正在下降，但電池電壓卻沒有下降。這迫使便攜式產(chǎn)品中的DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器以較低的占空比工作。不幸的是，低占空比操作會(huì)降低效率，因?yàn)殚_關(guān)損耗增加和I的重要性增加2低輸出電壓時(shí)的R損耗。此外，傳統(tǒng)的控制架構(gòu)通常難以在非常短的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)工作。具有 VID 的 LTC1778 和 LTC3711 通過一種用于降壓穩(wěn)壓器的全新架構(gòu)解決了這些問題，該架構(gòu)可提供現(xiàn)代便攜式電源所需的低輸出電壓和高效率。

LTC?1778 是一款降壓型控制器，可為兩個(gè)外部 N 溝道 MOSFET 開關(guān)提供同步驅(qū)動(dòng)。它具有多種特性，可簡(jiǎn)化極高效率 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。真正的電流模式控制架構(gòu)具有可調(diào)電流限值，可輕松補(bǔ)償，采用陶瓷輸出電容器時(shí)保持穩(wěn)定，并且不需要功耗檢測(cè)電阻?？蛇x的不連續(xù)工作模式可提高輕負(fù)載時(shí)的效率。LTC1778 可在 4V 至 36V 的寬輸入電壓范圍和 0.8V 至 90% V 的輸出電壓范圍內(nèi)運(yùn)作在.可以選擇高達(dá)近 2MHz 的開關(guān)頻率，從而允許在效率與元件尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。故障保護(hù)功能包括電源就緒輸出、電流限制折返、可選的短路關(guān)斷定時(shí)器和過壓軟鎖存器。LTC3711 本質(zhì)上與 LTC1778 相同，但包括一個(gè) 5 位 VID 接口。

谷值電流控制使能開（分鐘）< 100ns

現(xiàn)代便攜式計(jì)算機(jī)的電源要求將電池組或壁式適配器中高達(dá) 24V 的電壓降低到 2.5V 至低至 0.8V 的水平。如此大的輸入與輸出電壓之比意味著降壓穩(wěn)壓器必須在低至3%的占空比下工作。在 300kHz 工作頻率下，這意味著主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間僅為 110ns。傳統(tǒng)的電流模式穩(wěn)壓器難以實(shí)現(xiàn)如此短的導(dǎo)通時(shí)間，迫使低頻操作和使用更大的元件。

為了克服這一限制，LTC1778 系列采用了一種谷值電流控制架構(gòu)，如圖 1 所示。電流由SW（或SENSE）和PGND（或SENSE）之間的壓降來檢測(cè)+–） 引腳，而底部開關(guān) M2 處于打開狀態(tài)。在此期間，電感L1兩端的負(fù)電壓導(dǎo)致流過它的電流衰減。當(dāng)達(dá)到電流控制閾值（I千） 電壓，電流比較器 （ICMP） 跳閘。這將設(shè)置閂鎖，關(guān)閉底部開關(guān)并打開頂部（或主）開關(guān) M1。在由單次定時(shí)器確定的受控延遲后，頂部開關(guān)再次關(guān)閉，循環(huán)重復(fù)。電流控制門限由誤差放大器（EA）設(shè)置，誤差放大器將分壓輸出電壓與0.8V基準(zhǔn)進(jìn)行比較，以便將門限保持在與負(fù)載電流相匹配的水平。

圖1.LTC1778 主控制環(huán)路。

與使用內(nèi)部振蕩器的峰值電流控制器相比，該控制環(huán)路具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由于只有一次性定時(shí)器才能確定頂部開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，因此對(duì)于低占空比應(yīng)用，它可以做得非常短。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要斜率補(bǔ)償。此外，對(duì)負(fù)載階躍增加的響應(yīng)可能非?？?，因?yàn)樵陧敳块_關(guān)打開并且電流開始增加之前，環(huán)路不必等待振蕩器脈沖。

靈活的單次定時(shí)器保持頻率恒定

盡管 LTC1778 不包含一個(gè)內(nèi)部振蕩器，但通過使用一個(gè)靈活的單觸發(fā)定時(shí)器來控制頂部開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，開關(guān)頻率得以保持近似恒定。進(jìn)入 ION 引腳 （IION） 的電流將內(nèi)部定時(shí)電容器 （CT） 充電至施加在 VON 引腳 （VVON） 上的電壓，以確定導(dǎo)通時(shí)間：tON = CT ? VVON/IOON。對(duì)于以恒定頻率運(yùn)行的降壓穩(wěn)壓器，導(dǎo)通時(shí)間與VOUT/VIN成正比。通過將一個(gè)電阻 （RON） 從 VIN 連接到 ION 引腳并將 VOUT 連接到 VON 引腳（如果可用），單次持續(xù)時(shí)間可以與 VOUT 成正比，與 VIN 成反比。然后，轉(zhuǎn)換器將以等于 （RON ? CT） –1 的近似恒定頻率工作。通過調(diào)整RON的值，可以選擇廣泛的工作頻率。但是，頂部開關(guān)的最小關(guān)斷時(shí)間為500ns，這是一個(gè)重要的限制。這是 LTC1778 接通底部開關(guān)、檢測(cè)電流然后關(guān)斷所需的最短時(shí)間。在給定的開關(guān)頻率下，它對(duì)最大占空比施加了限制，如圖2所示。例如，在 200kHz 操作時(shí)，LTC1778 能夠適應(yīng)高達(dá) 90% 的占空比。嘗試在高于此限值的占空比下工作將導(dǎo)致輸出電壓脫離穩(wěn)壓，降至滿足占空比限值的值。因此，LTC1778 可用于超高頻降壓型轉(zhuǎn)換器，前提是占空比足夠低。例如，10V至2.5V轉(zhuǎn)換器可以在高達(dá)1.5MHz的頻率下工作。

圖2.最大開關(guān)頻率與占空比的關(guān)系。

無需 RSENSE 操作可提高低 VOUT 下的效率

LTC1778 提供了真正的電流模式控制，而不需要一個(gè)檢測(cè)電阻器，而檢測(cè)電阻器是一種有時(shí)難以采購(gòu)的昂貴組件。電流比較器監(jiān)視SW和PGND引腳之間的壓降，利用底部MOSFET的導(dǎo)通電阻確定電感電流。除了消除檢測(cè)電阻外，該技術(shù)還簡(jiǎn)化了電路板布局并提高了效率。在低輸出電壓應(yīng)用中，效率增益尤其明顯，其中電阻檢測(cè)電壓是輸出電壓的很大一部分。例如，一個(gè)50mV的檢測(cè)電壓會(huì)使5V輸出轉(zhuǎn)換器的效率降低1%。

LTC1778 允許利用 VRNG 引腳來調(diào)節(jié)電流檢測(cè)范圍，以適應(yīng)各種 MOSFET 導(dǎo)通電阻。電源設(shè)計(jì)人員在選擇 MOSFET 導(dǎo)通電阻時(shí)可以輕松權(quán)衡效率和成本。VRNG引腳上的電壓應(yīng)為最大負(fù)載電流下標(biāo)稱檢測(cè)電壓的十倍，例如，VRNG = 1V對(duì)應(yīng)于100mV的標(biāo)稱檢測(cè)電壓。將此引腳連接到 INTVCC 或接地，默認(rèn)標(biāo)稱檢測(cè)電壓分別為 140mV 或 70mV。電流限制在VRNG引腳設(shè)置的標(biāo)稱電平的150%和?50%。

對(duì)于那些需要更準(zhǔn)確的電流測(cè)量的應(yīng)用，LTC3711 和某些版本的 LTC1778 將一個(gè)或兩個(gè)電流比較器輸入作為單獨(dú)的 SENSE 和 SENSE 提供+–引 腳。將輸入連接到與底部 MOSFET 開關(guān)源串聯(lián)的精密檢測(cè)電阻，可以更準(zhǔn)確地確定電流。這對(duì)于需要更精確的電流限制或?qū)で笤谪?fù)載電流變化時(shí)主動(dòng)定位輸出電壓的應(yīng)用特別有益。

輸出受到各種故障保護(hù)

LTC1778 具有許多故障保護(hù)功能。輸出電壓在超出范圍的情況下受到持續(xù)監(jiān)控。如果偏離穩(wěn)壓點(diǎn)超過±7.5%，漏極開路電源就緒輸出將拉低以指示失調(diào)條件。在過壓情況下，頂部開關(guān)將關(guān)閉，底部開關(guān)將打開，直到輸出被拉回電源就緒閾值以下。在欠壓條件下，如果輸出下降25%，將啟動(dòng)短路閉鎖定時(shí)器。如果輸出在這段時(shí)間內(nèi)未恢復(fù)，兩個(gè)開關(guān)都將關(guān)閉，從而停止轉(zhuǎn)換器。欠壓/短路閉鎖可以覆蓋。在這種情況下，如果輸出電壓繼續(xù)降至調(diào)節(jié)點(diǎn)的50%以下，則電流限值將降低或折回至其最大值的四分之一左右。

其他控制器的熱門功能仍然存在

輕負(fù)載下的連續(xù)同步操作會(huì)降低效率，因?yàn)殚_關(guān)損耗消耗了大量電流。通過在非連續(xù)模式下操作轉(zhuǎn)換器，可以提高效率。在這種模式下，底部開關(guān)在電感電流開始反轉(zhuǎn)的瞬間關(guān)閉，即使電流控制閾值（I千） 低于該級(jí)別。但是，頂部開關(guān)直到 I千電平回升到與零電感電流相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。在兩個(gè)開關(guān)均關(guān)斷期間，輸出電流僅由輸出電容提供，避免了開關(guān)損耗。在這種工作模式下，開關(guān)頻率與負(fù)載電流成正比。

LTC1778 包含其自身的內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可提供邏輯電平 MOSFET 所需的 5V 柵極驅(qū)動(dòng)。但是，如果可用，它也能夠接受外部 5V 至 7V 電源。將此類電源連接到 EXTV抄送引腳禁用內(nèi)部穩(wěn)壓器;然后，所有控制器和柵極驅(qū)動(dòng)電源均來自外部電源。如果外部驅(qū)動(dòng)器來自高效率來源，則可以提高整體效率。此外，連接 V在和 EXTV抄送引腳連接到一個(gè)外部 5V 電源，允許控制器轉(zhuǎn)換低輸入電壓，例如 3.3V 和 2.5V。

設(shè)計(jì)示例

圖 3 示出了使用 LTC1778EGN 的典型應(yīng)用電路。該器件的16引腳SSOP版本并不提供所有引腳功能。五世上輸入在內(nèi)部設(shè)置為 0.7V，SENSE 和 SENSE+–引腳分別與SW和PGND引腳共粘合。該電路從 2V 至 5V 的輸入電壓提供穩(wěn)定的 10.5V 輸出，電流高達(dá) 28A。Siliconix的功率MOSFET針對(duì)低占空比應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。The 1.4M? R上設(shè)定 250kHz 開關(guān)頻率。該開關(guān)頻率可在合理的元件尺寸下產(chǎn)生良好的效率。圖4顯示，該電路的效率范圍為90%至95%，具體取決于輸出電流和輸入電壓。在輕負(fù)載（低于約2A）時(shí)，電路進(jìn)入不連續(xù)模式以保持高效率。對(duì)1A至10A負(fù)載階躍的響應(yīng)如圖5所示。注意1A負(fù)載下的不連續(xù)模式操作，以及負(fù)載階躍后電感電流的快速增加。

圖3.2.5V/10A 轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率為 250kHz。

圖4.圖3電路的效率與負(fù)載電流的關(guān)系

圖5.圖3電路的瞬態(tài)響應(yīng)

圖6所示為一款開關(guān)頻率非常高的降壓穩(wěn)壓器，允許使用小功率元件。該電路提供 2.5V 輸出（高達(dá) 3A），開關(guān)頻率為 1.4MHz。最小關(guān)斷時(shí)間約束將本電路的占空比限制在30%以下，如圖2所示。因此，最小允許V在為避免壓降為9V。選擇一對(duì)采用單 SO-8 封裝的低柵極電荷 MOSFET，以最大限度地降低這種高頻下顯著的開關(guān)損耗。采用 80V 輸入時(shí)，效率約為 85% 至 12%。

圖6.2.5V/3A 轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率為 1.4MHz。

與許多其他電流模式控制器不同，LTC1778 還可用于具有高輸出電壓 （幾乎高達(dá)全輸入電壓）的應(yīng)用。圖7通過可提供高達(dá)12A電流的5V輸出電路對(duì)此進(jìn)行了說明。本電路使用 LTC1778EGN-1，它用 V 取代 PGOOD 引腳上針。將此引腳連接高電平可設(shè)置內(nèi)部 V上電平至2.4V，降低了R所需的值上用于 300kHz 操作的電阻器。該電路具有出色的效率，在 97V 電壓下，在 5A 時(shí)達(dá)到 24%在.

圖7.12V/5A 轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率為 300kHz。

LTC3711 為 0.9V – 2.0V 微處理器內(nèi)核電源增加了 VID 接口

許多低壓微處理器現(xiàn)在需要對(duì)輸出電壓和有源電壓定位進(jìn)行數(shù)字控制，以改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。LTC3711 專門滿足了這些需求。它采用 LTC1778 控制架構(gòu)來處理低占空比，同時(shí)增加了一個(gè) 5 位 VID 接口。VID 代碼選擇 0.9V 至 2.0V 范圍內(nèi)的輸出電壓，與英特爾移動(dòng)式奔騰處理器兼容。LTC1778 和 LTC3711 均包括一個(gè)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)恒定的修整誤差放大器跨導(dǎo)。此功能允許對(duì)控制環(huán)路進(jìn)行更積極的補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)精確的有源電壓定位。隨著負(fù)載電流的增加，有源電壓定位以受控方式降低輸出電壓。這在微處理器電源中非常有用，其中大負(fù)載電流瞬變是輸出電壓誤差的主要原因。?

具有有源電壓定位的VID控制LTC3711應(yīng)用示例如圖8所示。為了便于電壓定位，SENSE 引腳與 M2 源極的電流檢測(cè)電阻一起使用。電壓定位增益使用電阻R精確設(shè)置+VP1和 RVP2以及誤差放大器的修整跨導(dǎo)。該電路在空載時(shí)將輸出電壓定位在高于65.1V標(biāo)稱輸出約5mV，滿載時(shí)降至低于標(biāo)稱輸出65mV。電壓定位允許輸出電容器的數(shù)量從五個(gè)減少到三個(gè)，并且輸出電壓仍保持±100mV規(guī)格。

圖8.1.5V/15A CPU內(nèi)核穩(wěn)壓器，帶有源電壓定位。

結(jié)論

LTC?1778 / LTC3711 降壓型 DC/DC 控制器專為在寬輸入和輸出范圍內(nèi)運(yùn)作的電源而設(shè)計(jì)。谷值電流控制架構(gòu)支持從高輸入電壓源（如電池組和墻上適配器）獲得極低電壓輸出。無需檢測(cè)電阻可提高效率，節(jié)省電路板空間和元件成本。LTC?1778 和 LTC3711 是提供現(xiàn)代便攜式電源所需的低輸出電壓和高效率的絕佳選擇。