LTC3833高性能同步降壓型DC/DC控制器的應用

電子產(chǎn)品不斷向更低的電源電壓和更高的負載電流邁進(jìn)，這給負載點(diǎn) DC/DC 轉換器帶來(lái)了巨大的壓力，以保持快速的性能改進(jìn)。例如，較低的電源電壓意味著(zhù)穩壓器必須支持12V或24V電源軌的更高降壓比，同時(shí)保持高效率。隨著(zhù)電源電壓的下降，調節精度也變得更加重要，而且在存在寄生IR壓降和動(dòng)態(tài)負載瞬變的情況下，必須保持精度。開(kāi)關(guān)轉換器產(chǎn)生的EMI也值得關(guān)注，特別是在RF應用中。

一些應用要求其電源滿(mǎn)足所有這些嚴格的要求：高功率、高效率、高精度、高降壓比、快速瞬態(tài)性能和低EMI，并且占用空間小。LTC?3833 是一款高性能同步降壓型 DC/DC 控制器，可應對這一挑戰。圖 1 顯示了一個(gè)典型應用。LTC3833 接受一個(gè)介于 4.5V 至 38V （絕對最大值為 40V） 之間的非穩壓輸入電壓，并將其下變頻至 0.6V 至 5.5V （絕對最大值為 6V） 之間的 0.67% 準確度輸出電壓。

圖1.28V 輸入、2.5V 輸出、5A、1.2MHz 降壓轉換器。LTC3833 的高頻能力使設計能夠擠入狹小的空間。

它具有 20ns 的最小導通時(shí)間，可實(shí)現高降壓比 （高 V在至低 V外），其控制架構為快速瞬態(tài)性能做好了準備。LTC3833 采用 20 引腳 QFN （3mm × 4mm） 封裝和具有裸露襯墊的 TSSOP 封裝，以增強熱性能。

快速瞬態(tài)性能和恒定頻率

LTC3833 采用一種新的、復雜的受控導通時(shí)間架構 — 恒定導通時(shí)間控制架構的一種變體，其區別在于導通時(shí)間是受控的，以便開(kāi)關(guān)頻率在線(xiàn)路和負載下的穩態(tài)條件下保持恒定。該架構利用了恒定導通時(shí)間控制器的所有優(yōu)點(diǎn)，即快速瞬態(tài)響應和小導通時(shí)間以實(shí)現高降壓比，同時(shí)模仿恒定頻率控制器的行為。

LTC3833 能夠立即響應一個(gè)負載階躍，而無(wú)需像傳統的恒定頻率控制器那樣等到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。在一個(gè)負載階躍期間，LTC3833 增加其開(kāi)關(guān)頻率以加快響應速度并減少輸出上的下降。類(lèi)似地，在負載釋放期間，LTC3833 降低了開(kāi)關(guān)頻率，以防止輸入軌進(jìn)一步為輸出電容器充電。一旦瞬態(tài)條件消退，LTC3833 就會(huì )將開(kāi)關(guān)頻率恢復到標稱(chēng)編程值，或者如果正在同步，則恢復到外部時(shí)鐘頻率。

LTC3833 的 90ns 低最小關(guān)斷時(shí)間允許其實(shí)現高占空比操作，從而避免了 V在僅略高于所需的 V外.低的最小關(guān)斷時(shí)間也是影響快速瞬態(tài)性能的因素。如果開(kāi)關(guān)轉換器的控制環(huán)路專(zhuān)為高帶寬和高速度而設計，那么 LTC3833 的最短關(guān)斷時(shí)間不會(huì )限制性能。也就是說(shuō)，在負載階躍條件下，對于高帶寬設計，連續導通時(shí)間脈沖之間的時(shí)間可低至90ns。

圖 2 示出了微處理器電源的典型低電壓、高電流應用，其中 LTC3833 可快速響應一個(gè) 20A 負載階躍并釋放。

圖 2a. 14V 輸入、1.5V 輸出、20A、300kHz 降壓轉換器。LTC3833 在諸如微處理器電源的典型特征等低電壓、高電流應用中表現出色。它可以快速響應微處理器的突發(fā)高壓擺電流要求。

圖 2b.LTC3833 能夠快速響應突發(fā)的高轉換電流要求。

頻率范圍廣，適用于多種應用

LTC3833 能夠提供 200kHz 至 2MHz 的整整十年開(kāi)關(guān)頻率 （利用 RT 引腳上的一個(gè)外部電阻器進(jìn)行設置）。這種寬范圍使得 LTC3833 能夠滿(mǎn)足各種應用的要求，從需要高效率的低頻應用到需要較小解決方案尺寸的高頻應用，再到保持高于 AM 無(wú)線(xiàn)電頻段的 2MHz 應用，同時(shí)能夠從一個(gè)高輸入軌下變頻并提供高輸出電流。

工作頻率的選擇是效率和元件尺寸之間的權衡。由于轉換器中與開(kāi)關(guān)相關(guān)的損耗減少，頻率越低，效率越高。另一方面，較低的頻率需要更大的電感器和電容來(lái)實(shí)現給定的輸出紋波。在較高頻率下，可以使用較小的元件來(lái)實(shí)現相同的輸出紋波，但代價(jià)是效率。表 1 示出了當 LTC3833 用于在多個(gè)頻率和輸入電壓下產(chǎn)生一個(gè) 1.8V 輸出時(shí)，維持輸出紋波所需的效率和電感尺寸之間的權衡。從表中可以看出，開(kāi)關(guān)損耗在較高頻率和較高V下會(huì )加劇在，主要是由于V較高DS橫跨高端MOSFET。

LTC3833 的寬頻率范圍還有助于最大限度地降低來(lái)自開(kāi)關(guān)穩壓器的 EMI 干擾?？梢赃x擇開(kāi)關(guān)頻率，并將其保持在線(xiàn)路和負載上，使得穩壓器的工作頻率和諧波落在終端應用的頻帶之外。這使得最終應用能夠輕松濾除 DC/DC 轉換器的開(kāi)關(guān)噪聲。圖3所示為一個(gè)5.5V應用示例，該應用工作在A(yíng)M無(wú)線(xiàn)電頻段（f西 南部> 1800kHz），可用于為汽車(chē)信息娛樂(lè )系統中的電子設備供電。

圖3.14V 輸入、5.5V 輸出、4A、2MHz 降壓轉換器。LTC3833 可在高于 AM 無(wú)線(xiàn)電頻段 （f > 1.8MHz） 的開(kāi)關(guān)頻率下工作，從而使 AM 無(wú)線(xiàn)電能夠充分濾除來(lái)自降壓型轉換器的開(kāi)關(guān)噪聲和 EMI。

LTC3833 允許其同步至施加于 MODE/PLLIN 引腳的一個(gè)外部時(shí)鐘，從而提供了針對 EMI 和噪聲干擾的額外保護。這樣，最終應用就可以控制DC/DC轉換器的開(kāi)關(guān)周期和時(shí)序，因此在應用中可能發(fā)生敏感信號處理的關(guān)鍵時(shí)間段內不會(huì )產(chǎn)生干擾。

高頻下的高降壓比

LTC3833 支持低至 20ns 的高端 MOSFET 導通時(shí)間。這一點(diǎn)很重要，因為較低的最小導通時(shí)間轉化為更高的可能降壓比（V在到 V外） 在給定的開(kāi)關(guān)頻率下。較高的開(kāi)關(guān)頻率需要較短的導通時(shí)間，以實(shí)現相同的降壓比。盡管 LTC3833 的最小導通時(shí)間是 V 的函數在/ 5外和開(kāi)關(guān)頻率，它以正確的方向縮放 — 最低最小導通時(shí)間在高 V 時(shí)在至低 V外在高頻。

當然，高V。在，高頻應用容易受到最小導通時(shí)間限制的影響?？紤]圖1中的應用，該應用需要在1.2MHz時(shí)將28V低至2.5V轉換。這需要一個(gè)大約 74ns 的導通時(shí)間，而 LTC3833 可以輕松實(shí)現這一導通時(shí)間。相比之下，大多數傳統電流模式控制器無(wú)法實(shí)現74ns的導通時(shí)間。為了在高頻下運行，傳統的電流模式控制器需要兩級DC/DC轉換，第一階段向下轉換為中間電壓軌（例如12V），第二階段轉換為最終所需的電壓。這有效地使解決方案尺寸翻倍并降低了整體效率。

在非常低的導通時(shí)間 （20ns–60ns） 下，功率 MOSFET 自身的開(kāi)關(guān)延遲會(huì )限制可實(shí)現的最小導通時(shí)間。必須適當注意選擇導通和關(guān)斷延遲較低的功率MOSFET，更重要的是，它們的導通和關(guān)斷延遲之間幾乎沒(méi)有不平衡。例如，大多數功率MOSFET的關(guān)斷延遲比其導通延遲大約30ns。這種差異直接增加了 LTC3833 的 20ns 最小導通時(shí)間，從而實(shí)現了大約 50ns 的有效最小導通時(shí)間。圖4顯示了一個(gè)工作在2MHz的高降壓比應用，其中高端功率MOSFET的導通和關(guān)斷延遲之間存在約12ns的不平衡。

圖4.24V 輸入、1.8V 輸出、15A、2MHz 降壓轉換器。LTC3833 可實(shí)現非常低的導通時(shí)間，從而實(shí)現一種單級轉換器設計。使用具有更長(cháng)最短導通時(shí)間的傳統控制器將需要兩個(gè)或更多級，這意味著(zhù)設計成本更高、更大且效率更低。

高精度，最省力

LTC3833 具有真正的遠端差分輸出檢測功能。即使在具有高負載電流和共享接地層的高功率分布式系統中，也能實(shí)現輸出的精確調節。遠程差分檢測對于低輸出電壓至關(guān)重要，在低輸出電壓中，由電路板走線(xiàn)中的寄生IR壓降引起的小偏移可能會(huì )使調節精度損失幾個(gè)百分點(diǎn)。

遠端差分輸出檢測和一個(gè)準確的內部基準相結合，使 LTC3833 在整個(gè)線(xiàn)路、負載和溫度范圍內具有出色的輸出調節準確度，即使存在由 PC 板上的走線(xiàn)損耗引起的失調也是如此。LTC3833 能夠在 25°C 時(shí)實(shí)現 ±0.25% 的輸出準確度值，在 0°C 至 85°C 時(shí)實(shí)現 ±0.67%，在 –40°C 至 125°C 范圍內實(shí)現 ±1%。 考慮線(xiàn)路、負載和遠程接地變化的總精度在 0°C 至 85°C 范圍內為 ±1%，在 –40°C 至 125°C 范圍內為 ±1.5%。 圖 5 示出了 LTC3833 在整個(gè)電壓、負載和溫度范圍內的典型調節準確度。

圖5.LTC3833 在整個(gè)線(xiàn)路、負載和溫度范圍內的典型調節準確度。

傳統的遠端差分輸出檢測方案涉及一個(gè)單位增益差分放大器，該放大器直接檢測遠端輸出和遠端接地端子（圖 6）。然后，該放大器的輸出通過(guò)一個(gè)外部電阻分壓器（該分壓器也對輸出電壓進(jìn)行編程）進(jìn)行縮小，并反饋到內核控制器中。除了該方案涉及更多的設計工作外，單位增益放大器的輸入和/或輸出共模范圍限制還會(huì )減小可以使用遠程差分檢測的輸出電壓范圍。

圖6.與采用 LTC3833 的遠程檢測相比，傳統的遠端差分檢測涉及更多的設計工作量和電路板空間。

LTC3833 中的遠端差分輸出檢測是無(wú)縫的。它使用簡(jiǎn)單，需要最少的設計工作（如果有的話(huà)），并且比其他遙感方案需要更少的面積。與傳統的反饋檢測一樣，輸出通過(guò)電阻分壓器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行檢測，該網(wǎng)絡(luò )用于設置輸出電壓。LTC3833 通過(guò)檢測輸出的遠端接地端子（電阻分壓器網(wǎng)絡(luò )的另一端）更進(jìn)一步。因此，輸出電壓編程與其他反饋檢測控制器類(lèi)似，但優(yōu)點(diǎn)是 LTC3833 能夠校正電路板損耗和失調。當在多個(gè)系統共享電源和接地層的高功率、高電流分布式應用中需要調節準確度時(shí)，LTC3833 非常寶貴。

LTC3833 專(zhuān)為處理相對于本地接地高達 ±500mV 的遠端接地失調而設計。這包括能夠從穩壓器的輸出低于本地地電位 500mV 的初始條件狀態(tài)平穩地軟啟動(dòng)。

其他功能

可編程電流限制

作為谷值電流模式控制器，LTC3833 負責檢測和控制電感器電流的谷點(diǎn)，以維持輸出調節。電感電流通過(guò)與電感串聯(lián)的檢測電阻進(jìn)行檢測，或通過(guò)電感兩端的RC網(wǎng)絡(luò )檢測電感的DCR壓降來(lái)檢測。無(wú)論哪種方式，電感電流在所有開(kāi)關(guān)周期中都會(huì )被連續檢測，從而可以準確快速地控制輸出電流，包括輸出電流限制。

LTC3833 允許通過(guò) VRNG 引腳上的電壓來(lái)設置輸出電流限值，從而在為給定應用選擇電感器和檢測電阻器時(shí)提供了額外的自由度。檢測電阻或電感 DCR 兩端的最大電流檢測電壓可在 30mV 至 100mV 范圍內連續編程。圖7顯示了最大電流檢測電壓與VRNG電壓的函數關(guān)系。

圖7.LTC3833 提供了一個(gè)可編程電流限值。

電視抄送和國際電視抄送

LTC3833 具有一個(gè)內部 5.3V 低壓差穩壓器，該穩壓器可為內部控制電路（包括強大的高側和低側柵極驅動(dòng)器）供電，并通過(guò) INTV 提供給外界抄送針。國際電視網(wǎng)抄送穩壓器可以提供最大50mA電流，同時(shí)保持良好的調節性能，因此可以適度用作外部電路供電的電源或偏置電壓源。外部電源 （≥4.8V） 可連接至 EXTV抄送用于旁路內部穩壓器的引腳。這對于高V特別有用在內部線(xiàn)性穩壓器效率降低的應用。如果 LTC3833 開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)生一個(gè) 5V 輸出，則可以將其連接回 EXTV抄送（如圖 3 和圖 8 所示）。與使用內部5.3V穩壓器相比，該方案可將整體效率提高2%–3%。

圖8.38V 輸入、5V 輸出、8A、200kHz 降壓轉換器。LTC3833 在輕負載條件下提供了兩種工作模式：用于較高效率的脈沖跳躍模式或用于恒定開(kāi)關(guān)頻率的強制連續模式。

輕負載時(shí)的脈沖跳躍或強制連續模式

LTC3833 在輕負載條件下提供了兩種工作模式，以最好地滿(mǎn)足給定應用的要求。對于在輕負載條件下要求高效率的應用，LTC3833 可針對脈沖跳躍模式進(jìn)行編程 （通過(guò)將 MODE/PLLIN 引腳連接至 GND），從而允許開(kāi)關(guān)穩壓器轉換到非連續導通模式，從而通過(guò)降低開(kāi)關(guān)周期數來(lái)提高效率。脈沖跳躍模式的缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率可變（取決于負載電流）和輸出電壓紋波略高。

另一方面，對于需要可預測的 EMI 性能和數值恒定開(kāi)關(guān)頻率的應用，或需要在輕負載條件下進(jìn)行非常準確的調節的應用，LTC3833 可針對強制連續模式進(jìn)行編程 （通過(guò)將 MODE/PLLIN 引腳連接至 INTV抄送).在強制連續模式下，LTC3833 即使在無(wú)負載時(shí)也能保持編程開(kāi)關(guān)頻率，但在此過(guò)程中犧牲了輕負載效率。圖8顯示了兩種模式之間的效率差異示例。

軟啟動(dòng)和跟蹤

LTC3833 通過(guò) TRACK/SS 引腳提供軟起動(dòng) — 從零或預偏置輸出電壓條件 （圖 9） — 和外部跟蹤功能。軟啟動(dòng)時(shí)間和斜坡速率可由一個(gè)電容器從 TRACK/SS 引腳至 GND 進(jìn)行設置。該電容和 TRACK/SS 引腳外的 1μA 電流源決定了軟啟動(dòng)時(shí)間和斜坡速率。當 TRACK/SS 電壓達到 0.6V （LTC3833 的內部基準電壓）時(shí)，輸出達到其最終編程值?；蛘?，一個(gè)外部斜坡可以驅動(dòng) TRACK/SS 引腳，以便跟蹤開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出到外部斜坡，從而更好地控制開(kāi)關(guān)穩壓器的上電和關(guān)斷條件。

圖9.LTC3833 能夠平穩地啟動(dòng)至一個(gè)預偏置輸出。

運行啟用

LTC3833 通過(guò) RUN 引腳提供了一種專(zhuān)用的使能 / 禁用功能。當 RUN 引腳保持懸空狀態(tài)時(shí)，LTC3833 自使能。通過(guò)強制 RUN 到 GND 來(lái)禁用或關(guān)閉它。LTC3833 在停機模式中的靜態(tài)電流為 15μA。當 RUN 被拉幅大于 1.2V 時(shí)，LTC3833 使能，這是一個(gè)準確、控制良好的門(mén)限。這允許將 RUN 引腳編程為輸入欠壓鎖定（如果需要），方法是從 V 設置電阻分壓器在運行到GND。RUN 引腳還可以吸收大約 35μA 的電流，從而允許將其直接上拉至 V在通過(guò)一個(gè)足夠大的上拉電阻。

電源良好和故障保護

LTC3833 可在開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出和外部組件遇到過(guò)壓、過(guò)流和短路情況時(shí)快速有效地發(fā)揮作用，以保護該開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出和外部組件。

編程的電流限制可防止過(guò)流情況，并允許輸出電流在超過(guò)電流限制時(shí)下降。在短路條件下，LTC3833 強制折返電流限制，其中電流限制逐漸降低到輸出端硬短路的編程電流限制的四分之一左右（圖 10）。

圖 10.在輸出端發(fā)生短路期間，LTC3833 將輸出電流減小到編程電流限值的 1/4。

過(guò)壓情況通過(guò)強制低側功率MOSFET導通以釋放輸出端的過(guò)壓來(lái)處理。

LTC3833 通過(guò) PGOOD 引腳提供了一種電源良好功能，PGOOD 引腳是一個(gè)漏極開(kāi)路輸出，可電阻性上拉至一個(gè)邏輯電平電壓 （或 INTVCC） 外部。如果輸出在編程值的±7.5%以?xún)?，則PGOOD為高電平，表示功率良好。

結論

LTC?3833 是一款同步降壓型 DC/DC 控制器，其能夠滿(mǎn)足高電流、低電壓應用的需求，同時(shí)保持足夠的通用性以適應廣泛的降壓型 DC/DC 應用。

它提供了降壓型控制器常用的軟啟動(dòng)、電源良好和故障保護等常用功能集。它還增加了一些寶貴的附加功能，包括遠程輸出檢測、可編程電流限制、外部時(shí)鐘同步和 EXTVCC。它還具有高性能規格，包括 0.67% 的輸出精度、高于 AM 無(wú)線(xiàn)電頻段的開(kāi)關(guān)頻率 （高達 2MHz）、通過(guò) 20ns 的最小導通時(shí)間實(shí)現的高降壓比，以及對線(xiàn)路和負載瞬態(tài)條件的快速響應時(shí)間。

審核編輯：郭婷