LTC4370：双电源二极管或电流平衡控制器的设计与应用

在电子设备的电源设计中，如何实现多电源之间的负载共享以及确保电源的可靠性和稳定性是一个关键问题。Linear Technology的LTC4370双电源二极管或电流平衡控制器为解决这些问题提供了一种有效的解决方案。本文将深入探讨LTC4370的特性、工作原理、应用信息以及设计要点。

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一、LTC4370的特性

1. 负载共享功能

LTC4370能够在两个电源之间实现负载共享，无需对输入电源进行主动控制，也不需要共享总线。这使得电源系统的设计更加简单和可靠。

2. 反向电流阻断

在启动或故障情况下，LTC4370可以有效阻断反向电流和直通电流，确保电源系统的安全性。

3. 宽电压范围

支持0V至18V的高端操作，并且具有使能输入和MOSFET导通状态输出，方便用户进行控制和监测。

4. 双理想二极管模式

可以将LTC4370配置为双理想二极管控制器，进一步增强电源系统的性能。

5. 多种封装形式

提供16引脚DFN（4mm × 3mm）和MSOP封装，满足不同应用场景的需求。

二、工作原理

LTC4370通过控制N沟道MOSFET（M1和M2）来实现两个电源之间的负载共享。误差放大器EA比较OUT1和OUT2的电压，并设置伺服放大器SA1和SA2的伺服命令电压 (V{FR1}) 和 (V{FR2}) 。每个伺服放大器控制外部MOSFET的栅极，将其正向电压降（ (V{FWD}=V{IN}-OUT) ）调节到 (V_{FR}) 。通过EA和SA的共同作用，使OUT1和OUT2的电压相等，从而实现负载电流的平均分配。

1. 电压调节范围

(V{FR}) 的调节下限在较高电源电压时为25mV（在较低电压时降至12mV以节省功率和电压降），上限为 (V{RANGE}+25mV) （或 (V_{RANGE}+12mV) ）。 (RANGE) 由10µA上拉电流源通过电阻R3设置。

2. 故障处理

当输入电源短路时，SA检测到故障并迅速拉低MOSFET的栅极，以防止反向电流的流动。当检测到较大的正向电压降时，SA会迅速拉高栅极，确保MOSFET的快速导通。

3. 电源生成

LTC4370内部的LDO从最高的 (V{IN}) 输入生成5V的 (V{CC}) 电源。当共享低于2.9V的电源时，需要在 (V_{CC}) 引脚提供2.9V至6V的外部电源。

三、应用信息

1. 高可用性系统

在高可用性系统中，通常采用并联连接的电源或电池供电以实现冗余和提高系统可靠性。LTC4370可以有效地实现电源之间的负载共享，进一步提高系统的正常运行时间。

2. 电流共享特性

LTC4370通过在与电源串联的MOSFET上降低电压差来实现负载共享。较低电源上的MOSFET压降为最小伺服电压 (V{FR(MIN)}) ，而另一个MOSFET的压降为 (V{FR(MIN)}) 加上电源电压差。这使得OUT引脚的电压相等，根据欧姆定律，通过感测电阻的电流也相等。

3. RANGE引脚配置

RANGE引脚电阻的选择需要在共享捕获范围和MOSFET的功耗之间进行权衡。较大的 (RANGE) 可以增加捕获范围，但会增加功耗并降低负载电压；而具有严格公差的电源可以选择较小的捕获范围，以实现MOSFET的更凉爽运行。

4. 电源配置

LTC4370可以对低至0V的高端电源进行负载共享，但需要在 (V{CC}) 引脚提供2.9V至6V的早期外部电源。在这种情况下， (V{IN}) 应低于 (V{CC}) 。如果 (V{CC}) 在 (V{IN}) 之后上电，并且担心内部5V LDO对 (V{CC}) 的反向馈电，可以使用串联电阻或肖特基二极管来限制器件的功耗和低 (V_{CC}) 电源的反向馈电。

5. 共享启动

当负载电流未共享或其中一个电源关闭时，COMP电压会根据误差放大器的输入信号和偏移量向0V或2V倾斜。在共享开始之前，COMP电压需要向其工作点（当 (V{IN1}{IN2}) 时为0.7V，当 (V{IN1}>V{IN2}) 时为1.24V）摆动，这个延迟取决于误差放大器的差分输入信号、其跨导 (g_{m}) 和COMP电容的值。

6. MOSFET选择

选择MOSFET时，需要考虑其最大漏源电压 (BV{DSS}) 、最大栅源电压 (V{GS(MAX)}) 、导通电阻 (R{DS(ON)}) 和最大功耗 (P{D(MAX)}) 。为了获得最大的共享捕获范围， (R_{DS(ON)}) 应足够低，以便伺服放大器能够在MOSFET导通一半负载电流时调节最小正向调节电压。

7. 感测电阻选择

感测电阻的电压降决定了电流共享的精度。由于误差放大器输入偏移引起的共享误差随着感测电压的增加而减小。如果可以放宽共享精度要求，可以选择较低的电阻以减少感测电阻的功耗。

8. CPO电容选择

CPO和 (V{IN}) 引脚之间的电容推荐值约为MOSFET输入电容 (C{ISS}) 的10倍。较大的电容需要更长的时间由内部电荷泵充电，而较小的电容在快速栅极导通事件中会遭受更多的电压降。

9. 外部CPO电源

内部电荷泵在设备上电时需要毫秒级的时间来对CPO电容充电。可以通过连接外部电源到CPO引脚来缩短这个时间，但需要使用串联电阻来限制流入CPO和 (V_{IN}) 引脚之间内部钳位的电流。

10. 环路稳定性

伺服放大器环路由N沟道功率MOSFET的栅极电容进行补偿，通常不需要额外的补偿组件。负载共享控制环路由COMP引脚到地的电容进行补偿，该电容应至少为MOSFET输入电容 (C_{ISS}) 的50倍。

11. 脉冲负载的输入和输出电容

对于脉冲负载，负载电流在低于100Hz的频率下每个周期都会共享。在较高频率下，每个周期的电流可能不会共享，但电流的时间平均值会共享。需要在输入和输出端提供旁路电容以最小化毛刺和纹波，并提供足够的负载电容以增强呈现给负载共享电路的负载电流的直流分量。

12. 输入瞬态保护

当输入和输出端的电容非常小时，电流的快速变化可能会导致瞬态电压超过 (V_{IN}) 和OUT引脚的24V绝对最大额定值。在ORing应用中，可以使用一个从OUT到地的浪涌抑制器来钳位所有输入。在没有浪涌抑制器的情况下，10μF的输出电容通常足以防止瞬态电压超过24V。

四、设计示例

1. 12V设计示例

在一个12V系统中，最大负载电流为10A，电源公差为±2%。选择SUM85N03-06P MOSFET，其 (R{DS(ON)}) 为4.5mΩ， (BVDSS) 为30V， (V{GS(MAX)}) 为20V。通过计算，选择47.5k的R3电阻，使 (V{RANGE}) 为475mV，最大正向调节电压 (V{FR(MAX)}) 为500mV，MOSFET的最大功耗为5W。选择2.5mΩ的感测电阻，在满负载时产生25mV的电压降，误差放大器偏移引起的共享误差为8%。由于12V电源足够大，可以省略CPO电容，COMP电容选择为0.039µF。

2. 5V设计示例

在一个5V系统中，最大负载电流为10A，电源公差为±3%，需要快速栅极导通。重新计算R3、C1、C2、CC和R4的值。R3设置为30.1k，C1和C2设置为0.039µF，CC选择为0.18µF，R4设置为820Ω。

五、PCB布局考虑

1. 感测电阻连接

OUT引脚与感测电阻的Kelvin连接对于准确的电流共享至关重要。将MOSFET尽可能靠近感测电阻放置，保持到MOSFET的走线宽而短，以最小化电阻损耗。

2. 旁路电容放置

将 (C{VCC}) 旁路电容尽可能靠近 (V{CC}) 和GND引脚放置。将C1和C2放置在CPO和 (V_{IN}) 引脚附近。

3. COMP引脚保护

COMP引脚可能需要一个保护环来保持低电路板泄漏。

六、总结

LTC4370是一款功能强大的双电源二极管或电流平衡控制器，具有负载共享、反向电流阻断、宽电压范围等特性。通过合理选择MOSFET、感测电阻、电容等组件，并注意PCB布局，工程师可以设计出高效、可靠的电源系统。在实际应用中，需要根据具体的需求和参数进行详细的计算和设计，以确保系统的性能和稳定性。你在使用LTC4370进行设计时，有没有遇到过什么挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。