高功率、高可靠性的电子系统依赖于电源负载共享来处理大电流负载并增加系统稳健性。通常负载是在并联运行的模块化DC/DC转换器之间共享的，这种拓扑结构根据其实现方式提供了几个优势:

• 冗余． 通常，负载共享电源可以提供比系统可以使用的更多的功率。这样，如果任何电源故障，剩余的电源仍然可以支持负载。冗余是指故障电源自动与系统隔离，在不中断系统供电的情况下进行更换。

• 可靠性． 系统的可靠性在很大程度上取决于电源模块的电流共享能力。理想情况下，电流在电源之间均匀分布，这样每个模块平均散发相等的热量。这反过来又增加了系统的生命周期。

• 效率． 对于非常高的功率系统，可以通过在转换器最有效的工作点(转换器运行负载范围的中间位置)运行转换器来实现显着的效率增益。在并行多变换器架构中，当每个变换器都工作在这个最优点时，效率显然是最高的。在宽负载范围内实现这一目标的唯一方法是随着负载需求的变化启用或禁用转换器模块，以便使启用的模块在接近其最大效率的负载下运行。LTC4350通过其热插拔 功能实现了这一点，该功能允许在不中断电源总线的情况下动态禁用或启用模块。

LTC4350通过在一个封装中结合负载共享控制器和热插拔控制器，简化了负载共享系统的设计。负载分担控制器平衡每个并联电源的电流处理，热插拔控制器允许电源模块安全地从热系统中拔出或插入。

LTC4350的功能概述

LTC4350的负载共享和热插拔控制器通过协调负载共享和热插拔活动的内部逻辑连接。LTC4350的负载共享控制器是一个闭环控制系统，具有一整套功能，包括精确的电压控制和精确的电流共享。闭环控制系统具有明确的带宽和暂态特性。

LTC4350通过单独的过压(OV)和欠压(UV)比较器保护系统免受过压和欠压的影响，每个比较器都有自己的参考源。定时器设置事件之间的延迟，当UV引脚变高时，当负载共享打开时。

LTC4350通过内电流环和自动主外电压环控制器分配，实现电源之间的有源电流共享。基于LTC4350控制器的n个功率通道的电源系统如图1所示。每个通道由电源模块(DC/DC Converter)组成;一个LTC4350;连接电源模块输出和负载的双向电源开关(两个mosfet Q1和Q2串联);电流检测电阻R(sense);少量无源元件设置回路补偿;以及各种反馈电路。每个电源模块由1个LTC4350控制。LTC4350 SB(共享总线)引脚连接在一起形成负载共享总线。感测电阻R(sense)上的压降在电流控制回路中用作反馈信号。每个模块的输出电压由LTC4350修改，以便每个模块为负载提供等量的电流。

LTC4350通过电源模块的远程感应输入来调节电源模块的输出电压。每个电源通道是一个2环控制系统，内环是电流控制环，外环是电压控制环。共享总线电压作为各电源模块从外部电压控制回路到各电流控制回路的公共命令信号。

电流控制回路包括:

• 电流环路误差放大器(EA2)，包括补偿网络R(C2)C(C2);

• 驱动模块感测电阻R(OUT)的电压-电流转换器;

• DC/DC变换器模块(作为回路的工厂);

• 由电流检测电阻R(sense)和电流信号放大器I(sense)组成的负载电流检测放大器(它使用从R(GAIN)引脚连接到地的电阻来设置电流对电压的传输比)。

电压控制回路包括:

• 电压误差放大器(EA1)包括补偿网络R(C1)C(C1);

• 内部1.220V基准;

• 前面提到的闭合电流环;

• 反馈分压器(R(FB1)R(FB2))。

只有一个电压控制回路是有效的，其他控制器电压误差放大器输出由放大器输出和共享总线之间的串联二极管隔离。这种自动选择主电压控制回路是元件公差的结果。提供最高输出电平的电压误差放大器对所有其他误差放大器的串联二极管进行反向偏置。如果作为主控制器的通道发生故障或从系统中移除，具有下一个最高输出电平的控制器将成为主控制器。

LTC4350的热插拔功能消除了热插拔时的电源瞬态应力，并通过关闭外部电源开关隔离故障模块。故障的电源可以拆除并更换新的电源，而不会中断电力系统。热插拔电路由栅极驱动器(引脚14)和反向电流比较器组成。

图1显示了一个有n个电源和n个ltc4350的系统，其中n≤50。每个电源通道通过并联共享总线(SB)、正(OUT+)和负(OUT-或GND)输出，完全连接到系统电源总线。

LTC4350封装在16引脚IC窄SSOP封装中，工作范围为1.5V至12V，可通过辅助电路扩展至1V。应该注意的是，共享总线的最大电压和栅极电压是LTC4350电源电压(V(CC))的函数。

热插拔FET栅极驱动特性

热插拔FET开关门导通电压转换率是总门电容的函数，包括任何额外增加的电容和10µa电荷泵输出电流，如下所示:

其中C(GATE)在µF

栅极引脚的10mA高电流吸收能力使FET关闭的速度比FET打开快近1000倍。

定制控制系统，以各种电力系统的设计

可用的电源模块范围广泛，每个模块都具有不同的动态特性，需要为每个电源系统设计量身定制电流和电压控制回路。

电压环路和电流环路误差放大器EA1和EA2为跨导放大器，输出阻抗为R(O1)和R(O2)，跨导为g(m1)和g(m2)。使用跨导误差放大器提供了一种简单的补偿手段，使用简单的RC并联网络到地。

在地端加入一个并联电容，将跨导放大器转换为动态块，传递函数为:

式中G(EA) = G(m)R(O)， T(P) = C(C)R(O)

其中包括有限输出电阻R(O)的影响。

与并联电容串联的电阻的插入使传递函数增加一个零:

地点:
2πf (p) =欧姆(p) = 1 / T (p) = 1 / C (C) (R (O) + R (C))是极点频率,
G(EA) = G(m)R(O)为误差放大器增益，
R(C)和C(C)为补偿分量;
T(Z) =功率变换器主时间常数。

误差放大器的参数在数据表中没有指定，但典型值如表1所示。

用于动态分析的功率通道控制系统框图如图2所示。

操作模式和设计注意事项

负载分担控制器操作

LTC4350执行负载共享如下。所有电源初步调整到低于所需输出电压250mV-300mV。每个LTC4350都可以通过在R(OUT)上产生额外的压降来增加各自功率模块的输出电压，也就是说，I(OUT)放大器通过R(OUT)吸收电流以增加模块的输出电压。LTC4350使用来自公共负载共享总线和内部电流环的反馈，将每个电源调整到所需的输出电压，并平衡所有电源的负载。

LTC4350可以在不使用辅助电路的情况下将输出电压控制到1.5V。(要使用输出电压低于1.5V的LTC4350，请参见图6。)LTC4350的内部参考电压为1.22V。外电压控制环的电压反馈分压器电阻计算公式为:

V(out) = V(ref)(1 + r (fb1)/ r (fb2))

其中V(REF) = 1.22V

热插拔控制器操作

ltc4350控制的外部电源开关允许电源热插拔进出供电系统，最大限度地减少对系统电源总线的干扰。GATE引脚处的外部电容由恒流源充电和放电，并控制外部FET开关的接通和关断速率。LTC4350的欠压和过压比较器监控电源模块，仅当电源模块输出电压在公差范围内时才启用热插拔功能。当电源断开时，欠压比较器提示故障，电源开关门迅速放电，将负载与电源隔离。

应特别注意栅极电压转换率的选择。栅极电压转换率的选择应使负载分担控制回路能够在外部场效应管开关闭合和负载分担被激活时防止过多的反向电流流入电源输出电容器。LTC4350监控反向(负)电流。反向限流(RCL)设定点计算公式为:

I(RCL) = 30mV/R(SENSE)

最小化反向电流量的一种方法是最小化mosfet电源模块侧的整体电容，同时考虑到电源模块的最小电容寿命要求。如果DC/DC变换器能够在两个方向上转换能量(源电流或汇聚电流)，则由附加模块上电引起的瞬态高反向电流可以达到反向电流保护等级I(RCL)。唯一的解决方案是降低外部MOSFET栅极压转率和/或通过降低R(SENSE)来设置更高的I(RCL)阈值。不过，这两种解决方案都有各自的问题。降低MOSFET压降率可以降低故障或故障电源模块的断开率(这两个速率是成正比的，都基于GATE引脚电容)。减小R(SENSE)会降低总增益。必须在这些相互竞争的要求之间取得平衡。

保护功能

当使用外部MOSFET电源开关时，LTC4350可以识别电源故障并将其与负载隔离。在电源输出短接地的情况下，反向电流检测器检测到电流检测电阻上的电压已经改变方向，并且超过30mV超过5µs。电源开关门立即拉低，断开短路与负载的连接。只要检测电阻的反向电压小于30mV，并且模块输出电压在欠压-过压比较器窗口内，外部MOSFET栅极就可以升压并打开电源开关。电源输出短路到高压的情况被检测为过压故障。在这种情况下，电源开关的门被拉低，断开过电压与负载的连接。

STATUS引脚状态报告三种类型故障中的任意一种。第一个是欠压锁定，当UV引脚低于1.220V，而输出电压是有效的。第二个故障是OV引脚高于1.220V时的过电压情况。第三种故障是当COMP2引脚高于1.5V或低于0.5V且GAIN引脚上电压大于100mV时，出现过载或开路输出情况。

控制系统补偿

控制系统环路的设计方法是使电力系统带宽最大化。除了快速系统和瞬态响应的明显好处外，高控制环路带宽在将电源输出连接到操作总线时最大限度地减少干扰。

对于具有DC/DC变换器和LTC4350负载共享控制器的功率通道，最佳解决方案是设计负载共享内电流控制环路通道带宽等于或接近DC/DC变换器带宽，电压环路带宽比电流环路带宽高5% ~ 10%。

重要的是，闭环电流回路的阶跃响应应类似于阻尼比为ζ≥0.75的一阶系统或二阶系统的响应。如果不满足这一条件，则阶跃响应将不是单调的，并且由于电压控制回路不断改变主控，模块输出电流在其平衡值附近振荡，将导致抖振振荡。

控制回路的设计从表征DC/DC变换器的响应开始。如果变换器表现为一阶系统，则变换器环路时间常数T(DC)可以由变换器的3dB频率响应欧姆(CROSS)计算，通过欧姆(CROSS) = 1/T(DC)。

为了实现电流环路的最大带宽，即等于DC/DC交叉频率欧姆(CROSS)，一个电流环路补偿网络的形式为:

，其中T(2p)和T(2z)是电流环路误差放大器EA2的极和零时间常数。最大稳定带宽为T(2z) = T(DC)。对于较大的T(2z)，电流环路带宽欧姆(current)将小于欧姆(CROSS)。电流误差放大器EA2极点T(2p)用于设置总体开环增益，并且必须考虑电流环传递函数中的其他增益项，例如负载电流检测放大器I(sense)和电压-电流转换器I(OUT)。稍后将讨论设置这些其他块的增益的要求。图3显示了满足上述一阶植物补偿标准的电流控制回路的响应。

如果变换器表现为二阶系统，则减小内部电流控制回路的交叉频率，使复合回路表现为一阶回路或过阻尼二阶回路，ζ≥0.75。这是通过将控制回路零T(2z)匹配到功率模块的交叉频率来实现的。T(2z) = 1/欧姆(CROSS)，然后通过适当调整T(2p)将控制回路的增益抑制10dB至15dB。图4显示了二阶功率模块补偿的方法。

必须选择LTC4350电流和电压环中的其他元件，以保证环路正常工作，直到功率模块的实际限流I(L)，无论I(L)超过模块的最大输出电流规格多少。在输出电流为I(L)时，最大反馈电流信号(增益引脚上的电压)必须低于最大共享总线电压(V(share bus (MAX)))，其中V(share bus (MAX))为[(V(CC) - 1.5V)和(5.6V)]中较小者。

这个要求对R(SENSE)和R(GAIN)的选择有影响:

I(L)R(SENSE)R(GAIN)/1k欧姆≤V(共享总线(MAX))

选择R(SENSE)在可接受的故障电流限制下提供必要的30mV反向电流检测，同时最小化功率损耗和正向压降。R(增益)的值，然后使用前面的公式，在V(共享总线(MAX))的约束下最大化输出电压。

EA2的电流控制环误差放大器输出电压电平(通过I(OUT)模块)转换为电流，用于调制功率模块输出电压。I(OUT)的最大输出电流能力为20mA。LTC4350电流测量系统的增益由连接在接地和R(set)引脚之间的电阻R(set)设定。电流范围的选择应使LTC4350能够在电源模块上实现1V的控制范围。该电流来自电源模块的+SENSE端子。如果+V(OUT)和+SENSE之间的内阻R(OUT)小于50欧姆，则需要一个外部驱动器来提升20mA的最大电流，以实现所需的1V控制范围。图5中的设计示例显示了一个增强I(OUT)电流的电路。

内电流控制环的开环传递函数为:

T(2p)是通过在欧姆(CROSS)处设置|LT| = 1来计算的，对于一阶回路，对于二阶欠阻尼回路，T(2p)增加3到5倍，以便环路交叉发生在模块频率响应的峰值以下。

电压环的总交叉频率欧姆(voltage)应设置为电流环交叉频率欧姆(CROSS)的5% ~ 10%以上。这防止了内部电流和外部电压环路之间的相互作用，从而使输出电压对瞬态响应迅速，然后电流控制环路调整每个电源，使负载平衡。

设计的例子

双电源负载分担设计示例如图5所示。本设计采用带R(OUT) &lt的DATEL电源模块;50欧姆。为了提供所需的电压控制范围，使用外部电流放大器增强I(OUT)电流。

对于输出电压低于1.5V的负载共享电源，必须将反馈电压放大以匹配反馈引脚上的1.22V内部基准，如图6所示。

结论

LTC4350将热插拔和负载共享功能集成到一个IC中，使得使用标准的现成DC/DC转换器模块提供有效的电源管理解决方案成为可能。LTC4350还简化了定制电源的设计。热插拔和负载共享功能协同工作，以促进增加电力系统特性，提高整体可靠性和减少停机时间，包括故障隔离和识别，热插拔更换故障模块，冗余和改进的热管理。