摘要
透過利用電感直流電阻 (DCR) 電流感測技術，新一代 4 開關降壓-升壓控制器有助於實現具有高效率和高功率密度的電源系統設計。本文說明了電感 DCR 電流感測解決方案相對於傳統解決方案的優勢。
引言
4 開關降壓-升壓轉換器能夠產生高於、低於或等於輸入電壓的調節輸出電壓，因此深受歡迎且廣為人知。在極端故障情況下，例如輸入短路或輸出短路情況下，它還能斷開輸入/輸出 (I/O) 連接。與過電流和過電壓保護一起，4 開關降壓-升壓轉換器廣泛用於電池供電設備、車用系統和通用工業應用。
新技術：DCR 電感電流感測
以前的 4 開關降壓-升壓控制器使用外部電流感測電阻進行電流感測，但 LTC7878 是率先使用電感 DCR 進行電感電流感測的 4 開關降壓-升壓控制器設計。它採用新穎的峰值電流模式控制方案實現，無論穩壓器處於降壓、升壓還是降壓-升壓工作模式，它都有內建的逐週期峰值電流限制功能。在 5 V 至 70 V 的寬輸入電壓範圍內，輸出可在 1 V 至 70 V 範圍內調節，精確度為 ±1%。由於不需要電流感測電阻，新型降壓-升壓轉換器消除了功率耗損並縮小了解決方案尺寸。同時，它無需使用昂貴的大功率電流感測電阻，因此降低了系統成本。電感 DCR 電流感測還提供連續的電感電流資訊，有助於實現統一的峰值電流模式控制，並簡化多相多 IC 配置中的並聯操作。
4 開關降壓-升壓轉換器中的電感電流感測
圖 1. 4 開關降壓-升壓轉換器中以地為基準的電流感測。
許多 4 開關降壓-升壓控制器需要兩個或更多電流感測電阻來感測 I/O 電流和電感電流，以實現閉迴路操作。ADI 公司擁有專門設計的降壓-升壓控制器，它們只需要一個電流感測電阻就能感測電流模式控制迴路中使用的電流。圖 1 顯示了許多傳統產品使用的以地為基準的電流感測方法。它很簡單，並且容易在 IC 內部實現。但是，它只能在開關 B 或開關 C 接通時感測電感電流：分別是降壓區域的電感谷值電流或升壓區域的峰值電流。PCB 佈局選項會受到限制，因為兩個 MOSFET（B 和 C）都連接到電流感測電阻，並且必須彼此靠近放置。
圖 2. 4 開關降壓-升壓轉換器中以開關節點為基準的電流感測。
圖 2 顯示了其他一些降壓-升壓控制器使用的以開關節點為基準的電流感測方法。電流感測電阻與電感串聯，因此它可以連續感測電感電流。然而，當開關 A 和 B 接通/關斷時，開關節點處感測電阻上的電壓會在輸入電壓和地之間上下擺動。這要求電流感測電路具有非常高的共模抑制比 (CMRR)，以盡可能降低共模雜訊。與幾十伏特的共模電壓相比，感測到的電感電流訊號只有大約 50 mV 至 100 mV，此訊號在功率級切換期間很容易失真。為了避免雜訊影響，須斷開電流比較器並關斷其輸入，如圖 2 所示。即使感測到的訊號是連續的，短暫的遮沒時間 (blanking time) 也會使電感電流資訊短暫消失。
圖 3. 4 開關降壓-升壓轉換器中的電感 DCR 電流感測。
圖 3 顯示了 LTC7878 使用的電感 DCR 電流感測方法。透過將 RC 感測網路的時間常數與電感和 DCR 匹配 (L/DCR = Rs × Cs)，電感電流被轉換成感測網路 (Cs) 上的電壓訊號，增益為電感的 DCR。電流比較器位於 BST1/SW1 電路下方，它在操作期間與 VIN-GND 開關節點一同擺動。由於電流比較器和開關節點上的共模電壓相同，因此當 SW1 切換時，電流比較器輸入不需要與 DCR 感測訊號斷開。這樣，電感電流就能被連續地逐週期調節和限制。與以開關節點為基準的電流感測相比，BST1/SW1 下方只需要一個比較器。此外，它還提供了支援不同 DCR 值和覆蓋各種電感的選項。對於 DCR 較小的電感，可以設定 ISNSD 接腳來放大訊號，並將訊噪比 (SNR) 提高到常規 DCR 感測方案的四倍。高 SNR 設計可顯著改善系統可靠性，並在不同工作週期 (duty cycle) 下提供穩定的開關操作。
多相並聯操作
電感 DCR 電流感測和連續電感電流資訊一同使得 LTC7878 可以實現統一的峰值電流模式控制方案。這種方案支援多相操作，就像許多峰值電流模式降壓或升壓 DC-DC 控制器一樣。只需共享所有 ITH 接腳並以菊鏈 (daisy chain) 方式連接所有 CLKOUT 接腳，多個 LTC7878 元件就能實現並聯，為負載提供更多電流。負載電流均勻分配在所有通道中，電感均流保證了熱平衡和高效率。專門設計的逐週期電感均流降低了啟動和負載暫態 (transient) 期間電感上的過電流應力，提高了系統可靠性。
更多特性
開關頻率可設定，範圍介於 100 kHz 至 600 kHz 之間，或與外部時脈同步。整合的 7 V NMOS 閘極驅動器可以驅動邏輯位準或非邏輯位準 MOSFET。其他特性包括：智慧型外部 VCC 偏壓接腳，PGOOD 指示器接腳，以及具有不同限流設定的可選不連續導通模式/連續導通模式 (DCM/CCM) 操作。LTC7878 支援高達 70 V 的輸入和 1 V 至 70 V 的可編程輸出，採用 5 mm × 5 mm QFN 封裝。
結語
LTC7878 是一款高效能 4 開關降壓-升壓控制器，具有電感 DCR 電流感測功能。它在降壓、升壓或降壓-升壓區域使用峰值電流模式控制，並始終提供逐週期峰值電流限制和保護。透過採用電感 DCR 電流感測，該解決方案在提供高效率的同時還降低了元件成本。為了盡可能地提高功率，多個元件可以輕鬆地在多相架構中並聯工作。
關於作者
Xu Zhang Xu Zhang 於 2000 年和 2003 年分別獲得清華大學（中國北京）電機工程學士學位和碩士學位。2009 年獲得科羅拉多大學波德分校（美國科羅拉多州波德）電機工程博士學位。2010 年初，Zhang 博士加入 ADI 公司。他設計了許多業界首創的電源控制器 IC，如高壓大功率電荷泵控制器、帶開關電容的新型混合降壓控制器、雙向降壓控制器和 4 開關降壓-升壓控制器。他現在領導電源控制器部門，負責開發高性能矽基電源調節器和控制器。
