ZHCADG2 November 2023 LMG3622 , LMG3624 , LMG3626
簡介
開關(guān)轉(zhuǎn)換器通常需要某種形式的系統(tǒng)級(jí)電流檢測來進(jìn)行控制和/或保護(hù)。有許多方法和器件可用于精確測量電流，并將電流轉(zhuǎn)換為電壓由數(shù)字或模擬控制器處理。由于可以節(jié)省成本并簡化設(shè)計(jì)，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員選擇在中低功率轉(zhuǎn)換器中使用分流電阻器，并將分流電阻器與開關(guān)器件串聯(lián)。
憑借先進(jìn)的技術(shù)，LMG362x 系列 GaN 器件提供了集成度更高的方法來實(shí)現(xiàn)這一必要功能。該器件具有內(nèi)置電流檢測功能，可連續(xù)輸出器件正向漏源電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這一新功能取代了傳統(tǒng)的分流電阻器，無需進(jìn)行任何權(quán)衡，也不會(huì)產(chǎn)生誤差，并提高了系統(tǒng)效率和熱性能。
常見拓?fù)?/h2>
大多數(shù)設(shè)計(jì)人員在低功耗應(yīng)用中選擇某些版本的反激式轉(zhuǎn)換器，例如消費(fèi)類交流/直流轉(zhuǎn)換器或輔助電源。這些拓?fù)浞浅＿m合 USB-C 適配器中使用的通用交流輸入電壓和寬輸出電壓，其范圍為 5V 至 20V，甚至是 48V，具有擴(kuò)展功率范圍 (EPR)。反激式轉(zhuǎn)換器與模擬控制器一起使用電流模式控制形式來設(shè)置正確的開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間。
需要使用該檢測來針對(duì)變化的輸入和輸出電壓以及負(fù)載變化準(zhǔn)確調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間。為了測量該電流，在開關(guān) FET 的源極和電路的電源地 (PGND) 之間放置了一個(gè)分流電阻器。該分流電阻器具有小阻值，并產(chǎn)生一個(gè)成正比的壓降，該壓降傳輸?shù)侥M控制器并由內(nèi)部比較器進(jìn)行處理。在常見的 65W 反激式轉(zhuǎn)換器中，與分流電阻器 RCS(trad) 相關(guān)的功率損耗是使用初級(jí)側(cè) RMS 電流計(jì)算的。功率損耗超過 350mW 會(huì)導(dǎo)致熱量大量積聚并降低系統(tǒng)效率。
在較高功率水平下，政府法規(guī)要求提供某種功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)，用于降低電網(wǎng)失真并最大限度地減小應(yīng)用消耗的總視在功率。遵守這些要求會(huì)給轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)帶來新的難題，而這些難題很難在一個(gè)級(jí)中得到解決。因此，許多設(shè)計(jì)現(xiàn)在都實(shí)現(xiàn)了具有高直流輸出電壓的交流/直流 PFC 級(jí)，并結(jié)合了直流/直流級(jí)，從而將最終負(fù)載電壓降低至可接受的值。
大多數(shù)中等功率轉(zhuǎn)換器采用升壓 PFC 拓?fù)洌@些拓?fù)溥m用于通用交流輸入和輸出以及 400V 左右的直流電壓。與反激式相比，大多數(shù)轉(zhuǎn)換模式升壓 PFC 模擬控制器使用電壓模式控制來調(diào)整主 FET 的開關(guān)時(shí)間，以適應(yīng)線電壓或輸出負(fù)載電流的變化。
檢測 FET 的漏源電壓可為控制器提供足夠的信息以正確開關(guān)，但是，在使用大多數(shù)控制器時(shí)仍需要電流檢測。如果出現(xiàn)浪涌情況或可能出現(xiàn)電氣故障，轉(zhuǎn)換器必須能夠有效關(guān)斷并避免熱失控或永久性損壞。開關(guān) FET 中過大的電流會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)問題，可以通過檢測漏源電流并向模擬控制器發(fā)送轉(zhuǎn)換后的電壓來緩解這些問題。
無論電流或電壓模式控制拓?fù)淙绾?，在很大程度上仍需要電流檢測，電流檢測傳統(tǒng)上使用分流電阻器。具有內(nèi)置電流檢測功能的開關(guān) FET 可以帶來額外的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)仍與所有現(xiàn)有控制器兼容。
集成電流檢測的優(yōu)勢(shì)
德州儀器 (TI) 的 LMG362x 器件系列在器件內(nèi)集成了電流檢測功能，并通過外部引腳之一輸出專用信號(hào)。
從根本上講，該器件檢測主 GaN FET 中的正向漏源電流，減小該電流，并在專用 CS 引腳 上輸出成正比的電流。
圖 1 分流電阻器和無損電流檢測電阻圖如前所述，傳統(tǒng) FET 需要在 FET 源極和系統(tǒng)地之間放置一個(gè)分流電阻器。該分流電阻器的放置導(dǎo)致源極與轉(zhuǎn)換器的其余部分電氣隔離，并且無法直接連接到 PGND PCB 平面來進(jìn)行散熱。集成電流檢測功能無需在源極和 PGND 之間放置電阻器，而是將電阻器放在單獨(dú)路徑上，從而緩解了第一個(gè)問題。
圖 1 說明了電流檢測電阻如何不再充當(dāng)分流器，并向控制器提供足夠的輸入，同時(shí)使 FET 的源極能夠直接連接到系統(tǒng)地。兩種檢測方法都需要一個(gè)電阻器，但電阻器的類型和尺寸差異很大。典型的分流電阻器必須傳導(dǎo)所有流經(jīng) FET 的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電流，并將電流作為熱量進(jìn)行耗散，如圖 2 所示。分流電阻器的工作高溫明顯高于集成設(shè)計(jì)，這會(huì)增加 PCB 的整體熱量，必須進(jìn)行散熱。
使用小電阻值可以使熱設(shè)計(jì)易于管理，但需要較大的封裝尺寸。對(duì)于常見的 65W 準(zhǔn)諧振 (QR) 適配器，分流電阻器阻值約為 100m?，采用 1206 封裝，額定功率為 500mW。如果主 FET 的導(dǎo)通電阻也為 100m?，則由于添加了分流電阻器，導(dǎo)通損耗會(huì)加倍。集成電流檢測電阻器僅傳導(dǎo)調(diào)整后的 FET 電流的一小部分，因此電阻值更高且封裝尺寸更小。大約 100? 的電阻器（額定功率僅為 60mW）適合該 QR 應(yīng)用，采用 0402 封裝（尺寸為 1206 封裝的九分之一）。這種尺寸減小節(jié)省了電路板上寶貴的空間，在電路板上小外形尺寸正變得越來越流行。
圖 2 傳統(tǒng)電流采樣電阻的熱捕獲
圖 3 無損電流檢測電阻的熱捕獲功率損耗更低、熱性能更好后，效率自然更高。使用相同的 65W QR 示例，分流電阻器損耗約為數(shù)百毫瓦，而集成電流檢測電阻損耗降至數(shù)十毫瓦。
圖 3 中電阻器溫度顯著下降，在部分程度上提高了效率。與分流電阻器相比，在相同的輸入和負(fù)載條件下，未檢測到熱點(diǎn)。如圖 4 所示，測量的功率損耗顯示電阻器損耗減少超過 90%，具體取決于輸出功率和輸入電壓。
圖 4 集成無損電流檢測與傳統(tǒng)電流檢測的功率損耗對(duì)比即使負(fù)載上的損耗降低不是恒定的，轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)也必須能夠承受最壞的情況。最壞情況通常是在最低輸入電壓和最高輸出功率時(shí)，這會(huì)為主要功率器件產(chǎn)生更高的電流。
采用 LMG362x 時(shí)的正確電阻器計(jì)算和設(shè)計(jì)示例
LMG362x 系列中的每個(gè)器件都會(huì)輸出經(jīng)調(diào)節(jié)的漏源電流數(shù)據(jù)，但是，實(shí)際漏源電流（增益 GCSE）與輸出檢測電流之間的比率因器件而異。使用集成電流檢測功能并選擇正確的電阻器阻值，是實(shí)現(xiàn)與任何現(xiàn)有模擬控制器兼容運(yùn)行的關(guān)鍵。表 1 列出了 LMG362x 系列中的所有器件以及相應(yīng)的電流檢測比，以幫助用戶選擇新的電阻器阻值或替換具有相同行為的等效分流電阻器。
| 器件 | Rdson（典型值） | 電流檢測增益 GCSE（典型值） |
|---|---|---|
| LMG3622 | 120mΩ | 0.691mA/A |
| LMG3624 | 170m? | 0.965mA/A |
| LMG3626 | 270m? | 1.633mA/A |
可以通過多種方式來確定集成電流檢測電阻 RCS：使用 FET 漏極電流和所需的 CS 引腳電壓，或者使用集成電流檢測增益 GCSE 從傳統(tǒng)分流電阻器 RCS(trad) 進(jìn)行轉(zhuǎn)換（方程式 1）。利用該方法，可以為模擬控制器設(shè)置精確的電壓范圍來檢測漏極電流，或者可以輕松地使用集成電流檢測來替代傳統(tǒng)的分流電阻器設(shè)計(jì)。
使用適用于 65W 準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器的 LMG3624EVM-081 評(píng)估模塊和 LMG36XX-CALC QR 功率級(jí)設(shè)計(jì)計(jì)算器演示了 TI 集成電流檢測功能的示例。在該應(yīng)用中，最壞的輸入和輸出條件計(jì)算在主開關(guān) FET 中看到的最大 RMS 電流。該電流定義了在每個(gè)開關(guān)周期中發(fā)送到模擬控制器以實(shí)現(xiàn)電流模式控制的正確轉(zhuǎn)換電壓。表 2 顯示了該轉(zhuǎn)換器的一些重要輸入設(shè)計(jì)規(guī)格。
| 規(guī)格 | 值 |
|---|---|
| 最小輸入交流電壓 | 90 VAC |
| 最大輸出電壓 | 20V |
| 變壓器匝數(shù)比 | 6:1 |
| 大容量電容 | 120μF |
| 磁化電感 | 200μH |
在 QR 設(shè)計(jì)計(jì)算器中輸入表 2 中的輸入會(huì)返回 2.8A 的初級(jí)峰值電流 IPK。求解集成電流檢測電阻需要找到相應(yīng)的傳統(tǒng)分流電阻器，然后使用電流檢測增益的倒數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。要求解傳統(tǒng)分流電阻器 RCS(trad)，需要使用另外兩個(gè)值。
第一個(gè)值是控制器反饋電壓 VFB，該值對(duì)應(yīng)于電流模式運(yùn)行的模擬控制器處理的電壓范圍。對(duì)于不同的控制器，該值有所不同。
第二個(gè)值是反饋環(huán)路增益 KFB，該值是一個(gè)通用乘數(shù)，用于處理控制器反饋環(huán)路中的額外增益。使用方程式 2 和前面所述的值，用戶可以求解傳統(tǒng)分流電阻器。通過乘以 LMG3624 器件電流檢測增益 GCSE 的倒數(shù)，可以使用方程式 3 輕松計(jì)算轉(zhuǎn)換為集成電流檢測電阻的值。
放置在 LMG3624 器件 CS 引腳輸出上的電阻器連接到模擬控制器，有關(guān)更多文檔，請(qǐng)參閱使用 LMG3624EVM-081 65W USB-C PD 高密度準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器。由于設(shè)計(jì)參數(shù)或器件選擇的波動(dòng)，使用設(shè)計(jì)計(jì)算器可以輕松進(jìn)行輸入以調(diào)整電流檢測電阻。如果選擇了不同的 LMG362x 器件，只需使用相應(yīng)的電流檢測增益重新計(jì)算。只需除以電流檢測增益即可計(jì)算出用集成設(shè)計(jì)替代分流器的情況。要設(shè)置電壓與漏極電流之比，只需進(jìn)行分壓并求解。
無論控制器或電流檢測輸入方法如何，都可以針對(duì)任何拓?fù)漭p松地實(shí)現(xiàn)該功能。集成檢測是增強(qiáng)高效設(shè)計(jì)和熱性能以及突破 TI GaN 技術(shù)極限的理想選擇。