苛刻的高頻負(fù)載點(diǎn)供電如何解？這款大電流智能功率驅(qū)動(dòng)器是正解

本文介紹ADI公司的 LTC7050 SilentMOS? 系列。這種新型大電流負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)高效率、高密度、可靠功率級(jí)日益增長(zhǎng)的需求。

為什么LTC7050 SilentMOS系列是出色選擇

LTC7050可以配置為對(duì)兩個(gè)獨(dú)立的電源軌供電，每個(gè)電源軌有單獨(dú)的開(kāi)/關(guān)控制、故障報(bào)告和電流檢測(cè)輸出；或者，該器件也可以配置為一個(gè)雙相單輸出轉(zhuǎn)換器。LTC7051 單通道140 A功率級(jí)利用了LTC7050內(nèi)核設(shè)計(jì)，通過(guò)單個(gè)電感提供更高的功率密度。

LTC7050雙通道單片式功率驅(qū)動(dòng)器在電氣和熱優(yōu)化封裝中完全集成了高速驅(qū)動(dòng)器和低電阻半橋電源開(kāi)關(guān)，以及全面的監(jiān)控和保護(hù)電路。借助合適的高頻控制器，該功率驅(qū)動(dòng)器可形成具有先進(jìn)的效率和瞬態(tài)響應(yīng)的緊湊型大電流穩(wěn)壓器系統(tǒng)。Silent Switcher? 2架構(gòu)和集成自舉電源支持高速切換，通過(guò)衰減輸入電源或開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓過(guò)沖來(lái)降低高頻功率損耗，并最大限度地減少伴隨的EMI。

低開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力增強(qiáng)功率級(jí)的穩(wěn)健性

在常規(guī)降壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中，輸入電容和功率MOSFET之間的熱環(huán)路電感會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)較大的尖峰。SilentMOS LTC7050采用Silent Switcher 2技術(shù)，在LQFN封裝內(nèi)部集成了關(guān)鍵的VIN解耦電容。熱環(huán)路的縮小導(dǎo)致寄生電感降低。此外，完全對(duì)稱的布局消除了電磁場(chǎng)。圖1比較了LTC7050布局與常規(guī)功率驅(qū)動(dòng)器。如圖2所示，當(dāng)輸入電壓為12 V且輸出滿載時(shí)，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的峰值電壓僅為13 V。功率MOSFET上的峰值電壓應(yīng)力與其額定電壓之間有充足的裕量，從而確保了器件的可靠性。完全集成的熱環(huán)路消除了PCB布局敏感性，并使復(fù)雜的電磁抵消設(shè)計(jì)對(duì)用戶清楚可見(jiàn)。為了正確測(cè)量開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴，請(qǐng)使用同軸電纜并將其從開(kāi)關(guān)引腳焊接到本地接地，然后利用匹配阻抗在示波器上測(cè)量波形。

圖1. SilentMOS LTC7050具有內(nèi)部對(duì)稱的小型熱環(huán)路，以便最大限度地減少振鈴，(a)顯示LTC7050，(b)顯示常規(guī)DrMOS模塊

圖2. 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形；ILOAD = 25 A/相位

高效率和先進(jìn)封裝支持高功率密度

LTC7050的轉(zhuǎn)換損耗很低，因而在高頻設(shè)計(jì)中，其比常規(guī)DrMOS模塊效率更高。功率器件電流和電壓的重疊時(shí)間由驅(qū)動(dòng)速度決定。在多芯片DrMOS模塊中，驅(qū)動(dòng)速度受驅(qū)動(dòng)器與功率MOSFET之間以及驅(qū)動(dòng)器與其電容之間的電感限制。過(guò)快驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極可能導(dǎo)致功率器件/驅(qū)動(dòng)器的柵極過(guò)壓，并引發(fā)故障。另外，高di/dt會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)較大的尖峰，因?yàn)闊岘h(huán)路電感不可忽略。

LTC7050的驅(qū)動(dòng)器與功率回路集成在同一裸片上，并且所有柵極驅(qū)動(dòng)器的電容都在封裝中。由于取消了鍵合線，每個(gè)驅(qū)動(dòng)環(huán)路中的寄生電感接近于零。與多芯片DrMOS模塊相比，LTC7050開(kāi)啟和關(guān)閉功率器件的速度要快得多。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的典型上升沿短至1 ns，如圖2所示。一流的驅(qū)動(dòng)速度大大降低了轉(zhuǎn)換損耗。高驅(qū)動(dòng)速度允許LTC7050具有零死區(qū)時(shí)間，從而大大降低二極管導(dǎo)通和反向恢復(fù)損耗。

考究的設(shè)計(jì)提升了高開(kāi)關(guān)頻率下的電源轉(zhuǎn)換效率。圖3顯示了600 kHz和1 MHz時(shí)的12 V至1.8 V轉(zhuǎn)換效率和損耗曲線。對(duì)于1 MHz設(shè)計(jì)，峰值效率超過(guò)94%。

圖3. 效率和損耗曲線

圖4顯示了600 kHz和1 MHz時(shí)的12 V至1.0 V轉(zhuǎn)換效率和損耗曲線。

圖4. 效率和損耗曲線

對(duì)于圖4所示的1 MHz設(shè)計(jì)，60 A時(shí)的效率幾乎為90%，而總功率損耗（包括電感損耗）小于7 W。LTC7050的散熱增強(qiáng)型5 mm×8mm LQFN封裝的熱阻抗很低，為10.8°C/W。低損耗和低熱阻抗使LTC7050可以取代兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5mm×6mm DrMOS模塊。圖5顯示了LTC7050在12 V至1 V/60 A轉(zhuǎn)換、開(kāi)關(guān)頻率為1MHz時(shí)的熱圖像。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，外殼溫升約為68°C。

圖5. LTC7050的熱圖像

測(cè)試條件：VIN = 12 V，VOUT = 1 V，IOUT = 60 A，無(wú)氣流，電路板持續(xù)運(yùn)行30分鐘以上。

嚴(yán)格的故障警報(bào)和保護(hù)系統(tǒng)確保負(fù)載安全

LTC7050系列集成了一系列故障檢測(cè)、警報(bào)和保護(hù)特性，以確保系統(tǒng)安全。

LTC7050為頂部和底部FET提供了經(jīng)過(guò)全面測(cè)試的過(guò)流保護(hù)。當(dāng)功率器件提取流經(jīng)功率FET的瞬時(shí)電流時(shí)，同一裸片上的器件應(yīng)匹配。單片架構(gòu)保證了溫度和工藝偏差影響被充分抵消，引起電流檢測(cè)信號(hào)延遲的寄生效應(yīng)可忽略不計(jì)。單片架構(gòu)的這些內(nèi)在優(yōu)點(diǎn)支持實(shí)時(shí)、精確的電流監(jiān)測(cè)和保護(hù)。一旦過(guò)電流比較器跳閘，無(wú)論P(yáng)WM輸入如何，受影響的功率器件都會(huì)閉鎖，F(xiàn)LTB引腳被拉低以向控制器報(bào)告故障，而反向器件則接通以將電感電流續(xù)流至零。當(dāng)電流斜坡降至零后，驅(qū)動(dòng)器又只接受PWM信號(hào)。該保護(hù)方案防止了功率級(jí)在正或負(fù)限流值周圍持續(xù)抖動(dòng)，避免器件產(chǎn)生熱應(yīng)力。圖6顯示了負(fù)載電流斜坡上升，直至觸發(fā)正過(guò)電流保護(hù)。

圖6. LTC7050的過(guò)流保護(hù)

為了保證功率器件始終在安全工作區(qū)內(nèi)工作，當(dāng)輸入電壓超出OV閾值時(shí)，LTC7050的輸入過(guò)壓鎖定特性會(huì)強(qiáng)制兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)停止切換。如果功率MOSFET承載大電流且檢測(cè)到OV，則反向功率器件會(huì)續(xù)流，如上所述。

LTC7050系列為控制器（如LTC3884）或系統(tǒng)監(jiān)視器提供了兩個(gè)溫度測(cè)量接口。TDIODE引腳連接到PN結(jié)二極管，以使用VBE方法或ΔVBE方法測(cè)量IC結(jié)溫。TMON是專用引腳，以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8 mV/°C斜率報(bào)告芯片溫度。標(biāo)準(zhǔn)DrMOS模塊將模擬溫度監(jiān)控與其他故障警報(bào)結(jié)合在一個(gè)引腳上，LTC7050與此不同，其TMON僅在芯片溫度至少為150°C時(shí)才被拉至VCC。在其他故障情況下，當(dāng)FLTB開(kāi)漏輸出被拉低時(shí)，TMON將繼續(xù)報(bào)告芯片溫度。單片架構(gòu)使TDIODE和TMON能夠很好地反映功率器件的溫度。在多相位系統(tǒng)中使用多個(gè)功率級(jí)時(shí)，TMON引腳可以連接起來(lái)以報(bào)告最高溫度。

將自舉二極管和自舉電容集成到封裝中，可以消除對(duì)升壓引腳的需求和自舉驅(qū)動(dòng)器意外短路的可能性。內(nèi)部會(huì)持續(xù)監(jiān)視自舉驅(qū)動(dòng)器的電壓。如果電壓低于欠壓閾值，則關(guān)斷頂部FET以避免導(dǎo)通損耗過(guò)大。

結(jié)論

LTC7050 SilentMOS單片式大電流智能功率驅(qū)動(dòng)器是高頻負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用的出色解決方案。對(duì)稱布局的集成熱環(huán)路帶來(lái)了許多好處。外部元件更少，PCB尺寸更小，物料成本更低。低開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴增強(qiáng)了器件的可靠性。開(kāi)關(guān)相關(guān)的損耗很低，故其在高開(kāi)關(guān)頻率下可實(shí)現(xiàn)高效率，并允許使用小電感；輸出電容的尺寸也可以更小，因?yàn)殚]環(huán)帶寬更高。全面的監(jiān)控和保護(hù)特性可在各種故障條件下保護(hù)昂貴的負(fù)載。