【導讀】本文介紹ADI公司的 LTC7050 SilentMOS? 系列。這種新型大電流負載點轉(zhuǎn)換器滿足了系統(tǒng)設計對高效率、高密度、可靠功率級日益增長的需求。
為什么LTC7050 SilentMOS系列是出色選擇
LTC7050可以配置為對兩個獨立的電源軌供電，每個電源軌有單獨的開/關控制、故障報告和電流檢測輸出；或者，該器件也可以配置為一個雙相單輸出轉(zhuǎn)換器。LTC7051 單通道140 A功率級利用了LTC7050內(nèi)核設計，通過單個電感提供更高的功率密度。
LTC7050雙通道單片式功率驅(qū)動器在電氣和熱優(yōu)化封裝中完全集成了高速驅(qū)動器和低電阻半橋電源開關，以及全面的監(jiān)控和保護電路。借助合適的高頻控制器，該功率驅(qū)動器可形成具有先進的效率和瞬態(tài)響應的緊湊型大電流穩(wěn)壓器系統(tǒng)。Silent Switcher? 2架構和集成自舉電源支持高速切換，通過衰減輸入電源或開關節(jié)點電壓過沖來降低高頻功率損耗，并最大限度地減少伴隨的EMI。
低開關節(jié)點應力增強功率級的穩(wěn)健性
在常規(guī)降壓調(diào)節(jié)器設計中，輸入電容和功率MOSFET之間的熱環(huán)路電感會導致開關節(jié)點處出現(xiàn)較大的尖峰。SilentMOS LTC7050采用Silent Switcher 2技術，在LQFN封裝內(nèi)部集成了關鍵的VIN解耦電容。熱環(huán)路的縮小導致寄生電感降低。此外，完全對稱的布局消除了電磁場。圖1比較了LTC7050布局與常規(guī)功率驅(qū)動器。如圖2所示，當輸入電壓為12 V且輸出滿載時，開關節(jié)點的峰值電壓僅為13 V。功率MOSFET上的峰值電壓應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，并使復雜的電磁抵消設計對用戶清楚可見。為了正確測量開關節(jié)點振鈴，請使用同軸電纜并將其從開關引腳焊接到本地接地，然后利用匹配阻抗在示波器上測量波形。
圖1. SilentMOS LTC7050具有內(nèi)部對稱的小型熱環(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. 開關節(jié)點波形；ILOAD = 25 A/相位
高效率和先進封裝支持高功率密度
LTC7050的轉(zhuǎn)換損耗很低，因而在高頻設計中，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間由驅(qū)動速度決定。在多芯片DrMOS模塊中，驅(qū)動速度受驅(qū)動器與功率MOSFET之間以及驅(qū)動器與其電容之間的電感限制。過快驅(qū)動MOSFET柵極可能導致功率器件/驅(qū)動器的柵極過壓，并引發(fā)故障。另外，高di/dt會導致開關節(jié)點處出現(xiàn)較大的尖峰，因為熱環(huán)路電感不可忽略。
LTC7050的驅(qū)動器與功率回路集成在同一裸片上，并且所有柵極驅(qū)動器的電容都在封裝中。由于取消了鍵合線，每個驅(qū)動環(huán)路中的寄生電感接近于零。與多芯片DrMOS模塊相比，LTC7050開啟和關閉功率器件的速度要快得多。開關節(jié)點電壓的典型上升沿短至1 ns，如圖2所示。一流的驅(qū)動速度大大降低了轉(zhuǎn)換損耗。高驅(qū)動速度允許LTC7050具有零死區(qū)時間，從而大大降低二極管導通和反向恢復損耗。
考究的設計提升了高開關頻率下的電源轉(zhuǎn)換效率。圖3顯示了600 kHz和1 MHz時的12 V至1.8 V轉(zhuǎn)換效率和損耗曲線。對于1 MHz設計，峰值效率超過94%。
圖3. 效率和損耗曲線
圖4顯示了600 kHz和1 MHz時的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
對于圖4所示的1 MHz設計，60 A時的效率幾乎為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可以取代兩個行業(yè)標準5mm×6mm DrMOS模塊。圖5顯示了LTC7050在12 V至1 V/60 A轉(zhuǎn)換、開關頻率為1MHz時的熱圖像。在整個溫度范圍內(nèi)，外殼溫升約為68°C。
圖5. LTC7050的熱圖像
測試條件：VIN = 12 V，VOUT = 1 V，IOUT = 60 A，無氣流，電路板持續(xù)運行30分鐘以上。
嚴格的故障警報和保護系統(tǒng)確保負載安全
LTC7050系列集成了一系列故障檢測、警報和保護特性，以確保系統(tǒng)安全。
LTC7050為頂部和底部FET提供了經(jīng)過全面測試的過流保護。當功率器件提取流經(jīng)功率FET的瞬時電流時，同一裸片上的器件應匹配。單片架構保證了溫度和工藝偏差影響被充分抵消，引起電流檢測信號延遲的寄生效應可忽略不計。單片架構的這些內(nèi)在優(yōu)點支持實時、精確的電流監(jiān)測和保護。一旦過電流比較器跳閘，無論PWM輸入如何，受影響的功率器件都會閉鎖，F(xiàn)LTB引腳被拉低以向控制器報告故障，而反向器件則接通以將電感電流續(xù)流至零。當電流斜坡降至零后，驅(qū)動器又只接受PWM信號。該保護方案防止了功率級在正或負限流值周圍持續(xù)抖動，避免器件產(chǎn)生熱應力。圖6顯示了負載電流斜坡上升，直至觸發(fā)正過電流保護。
圖6. LTC7050的過流保護
為了保證功率器件始終在安全工作區(qū)內(nèi)工作，當輸入電壓超出OV閾值時，LTC7050的輸入過壓鎖定特性會強制兩個功率開關停止切換。如果功率MOSFET承載大電流且檢測到OV，則反向功率器件會續(xù)流，如上所述。
LTC7050系列為控制器（如LTC3884）或系統(tǒng)監(jiān)視器提供了兩個溫度測量接口。TDIODE引腳連接到PN結(jié)二極管，以使用VBE方法或ΔVBE方法測量IC結(jié)溫。TMON是專用引腳，以行業(yè)標準8 mV/°C斜率報告芯片溫度。標準DrMOS模塊將模擬溫度監(jiān)控與其他故障警報結(jié)合在一個引腳上，LTC7050與此不同，其TMON僅在芯片溫度至少為150°C時才被拉至VCC。在其他故障情況下，當FLTB開漏輸出被拉低時，TMON將繼續(xù)報告芯片溫度。單片架構使TDIODE和TMON能夠很好地反映功率器件的溫度。在多相位系統(tǒng)中使用多個功率級時，TMON引腳可以連接起來以報告最高溫度。
將自舉二極管和自舉電容集成到封裝中，可以消除對升壓引腳的需求和自舉驅(qū)動器意外短路的可能性。內(nèi)部會持續(xù)監(jiān)視自舉驅(qū)動器的電壓。如果電壓低于欠壓閾值，則關斷頂部FET以避免導通損耗過大。
結(jié)論
LTC7050 SilentMOS單片式大電流智能功率驅(qū)動器是高頻負載點應用的出色解決方案。對稱布局的集成熱環(huán)路帶來了許多好處。外部元件更少，PCB尺寸更小，物料成本更低。低開關節(jié)點振鈴增強了器件的可靠性。開關相關的損耗很低，故其在高開關頻率下可實現(xiàn)高效率，并允許使用小電感；輸出電容的尺寸也可以更小，因為閉環(huán)帶寬更高。全面的監(jiān)控和保護特性可在各種故障條件下保護昂貴的負載。
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