雙通道70A靜音MOS和單通道140A智能功率級(jí)

Yingyi Yan,Eugene Cheung,Eric Gu, andTuan Nguyen

LTC7050 靜音MOS簡(jiǎn)介

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

為什么ADI公司的LTC7050 SilentMOS系列是理想的選擇

LTC7050 可配置為為兩個(gè)獨(dú)立的電源軌供電，并具有單獨(dú)的接通 / 關(guān)斷控制、故障報(bào)告和電流檢測(cè)輸出，或者可配置為一個(gè)雙相單輸出轉(zhuǎn)換器。LTC7051 單通道 140 A 功率級(jí)采用 LTC7050 內(nèi)核設(shè)計(jì)，利用單個(gè)電感器提供更高的功率密度。

LTC7050 雙通道單片式功率級(jí)在一個(gè)電氣和熱優(yōu)化封裝中完全集成了高速驅(qū)動(dòng)器、低電阻半橋電源開(kāi)關(guān)以及全面的監(jiān)視和保護(hù)電路。通過(guò)合適的高頻控制器，該功率級(jí)形成一個(gè)緊湊的高電流穩(wěn)壓器系統(tǒng)，具有最先進(jìn)的效率和瞬態(tài)響應(yīng)。靜音開(kāi)關(guān) 2 架構(gòu)和集成自舉電源可實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)，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，并最大限度地降低伴隨的 EMI。

低開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力增強(qiáng)了功率級(jí)的魯棒性

在傳統(tǒng)的降壓穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中，輸入電容和功率MOSFET之間的熱回路電感會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)較大的尖峰。采用靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 2 技術(shù)，靜音 MOS LTC7050 集成了臨界電壓在LQFN 封裝內(nèi)的去耦電容?？s小熱回路可降低寄生電感。此外，完全對(duì)稱的布局消除了電磁場(chǎng)。圖 1 比較了 LTC7050 布局與傳統(tǒng)功率級(jí)。如圖2所示，當(dāng)輸入電壓為13 V且輸出滿載時(shí)，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的峰值電壓僅為12 V。功率 MOSFET 上的峰值電壓應(yīng)力與其額定電壓之間的裕量很大，確保了器件的可靠性。完全集成的熱回路消除了PCB布局的敏感性，并使復(fù)雜的電磁消除設(shè)計(jì)對(duì)用戶透明。為了正確測(cè)量開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴，請(qǐng)使用從開(kāi)關(guān)引腳焊接到其本地接地的同軸電纜，并在示波器上測(cè)量具有匹配阻抗的波形。

圖1.SilentMOS LTC7050 具有內(nèi)部對(duì)稱和小熱回路，以最大限度地減少振鈴，其中 （a） 顯示 LTC7050 和 （b） 顯示傳統(tǒng)的 DrMOS 模塊。

圖2.開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形;我負(fù)荷= 每相 25 A。

高效率和先進(jìn)的封裝可實(shí)現(xiàn)高功率密度

由于其低轉(zhuǎn)換損耗，LTC7050 在高頻設(shè)計(jì)中比傳統(tǒng)的 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)速度受到驅(qū)動(dòng)器和功率MOSFET之間以及驅(qū)動(dòng)器與其電容器之間的電感的限制。過(guò)快驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極可能會(huì)導(dǎo)致功率器件/驅(qū)動(dòng)器柵極過(guò)壓并導(dǎo)致故障。此外，高di/dt會(huì)在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上引起較大的尖峰，因?yàn)闊峄芈冯姼胁豢珊雎浴?/p>

LTC7050 的驅(qū)動(dòng)器與功率級(jí)集成在同一芯片上，并且所有柵極驅(qū)動(dòng)器的電容器均采用封裝。消除鍵合線后，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 的開(kāi)機(jī)和關(guān)斷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。其一流的快速行駛速度大大降低了過(guò)渡損耗。較快的驅(qū)動(dòng)速度使 LTC7050 具有零死區(qū)時(shí)間，從而大大降低了二極管導(dǎo)通和反向恢復(fù)損耗。

精密的設(shè)計(jì)提高了高開(kāi)關(guān)頻率下的功率轉(zhuǎn)換效率。圖3顯示了12 kHz和1 MHz時(shí)的8 V至600.1 V轉(zhuǎn)換效率和損耗曲線。94 MHz 設(shè)計(jì)的峰值效率超過(guò) 1%。

圖3.效率和損耗曲線。

圖4顯示了12 kHz和1 MHz時(shí)的0 V至600.1 V轉(zhuǎn)換效率和損耗曲線。

圖4.效率和損耗曲線。

對(duì)于圖1所示的4 MHz設(shè)計(jì)，60 A時(shí)的效率接近90%，而包括電感損耗在內(nèi)的總功率損耗小于7 W。 LTC7050的耐熱性能增強(qiáng)型5 mm×8 mm LQFN封裝具有10.8°C/W的低熱阻。其低損耗和低熱阻使LTC7050能夠取代兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的5 mm×6 mm DrMOS模塊。圖5顯示了LTC7050在12 MHz時(shí)1 V至60 V/1 A轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)時(shí)的熱圖像。外殼溫升隨溫度變化約為68°C。

圖5.LTC7050的熱圖像。

測(cè)試條件：Vin= 12 V， Vout= 1 V，和Iout= 60 A，無(wú)氣流，保持電路板運(yùn)行 30+ 分鐘。

嚴(yán)格的故障報(bào)警和保護(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)、報(bào)警和保護(hù)功能，以確保系統(tǒng)的安全性。

LTC7050 具有經(jīng)過(guò)全面測(cè)試的頂部和底部 FET 過(guò)流保護(hù)功能。與功率器件位于同一芯片上的匹配器件可提取流過(guò)功率FET的瞬時(shí)電流。單片架構(gòu)保證了溫度和過(guò)程變化的影響被很好地抵消，寄生效應(yīng)可以忽略不計(jì)，導(dǎo)致電流檢測(cè)信號(hào)的延遲。單片架構(gòu)的這些內(nèi)在優(yōu)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精確的電流監(jiān)測(cè)和保護(hù)。一旦過(guò)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)被鎖斷，F(xiàn)LTB引腳被拉低以向控制器報(bào)告故障，相反的器件被導(dǎo)通以將電感電流續(xù)流至零。驅(qū)動(dòng)器僅在電流斜坡降至零后再次接受PWM信號(hào)。這種保護(hù)方案可防止功率級(jí)在正或負(fù)電流限值附近持續(xù)顫振，從而避免器件上的熱應(yīng)力。圖6顯示了在啟動(dòng)正過(guò)流保護(hù)之前增加負(fù)載電流的影響。

圖6.LTC7050 的過(guò)流保護(hù)。

為保證功率器件保持在安全的工作區(qū)域內(nèi)，LTC7050 的輸入過(guò)壓閉鎖功能在輸入電壓超過(guò) OV 門(mén)限時(shí)強(qiáng)制兩個(gè)電源開(kāi)關(guān)停止開(kāi)關(guān)。如果檢測(cè)到OV時(shí)功率MOSFET承載大電流，則如上所述，電流由相反的功率器件續(xù)流。

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。The T二極管引腳連接到PN結(jié)二極管，使用VBE方法或ΔVBE方法測(cè)量IC結(jié)溫。T星期一是一個(gè)專用引腳，用于報(bào)告芯片溫度，具有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8 mV/°C斜率。與在一個(gè)引腳中集成模擬溫度監(jiān)控和其他故障警報(bào)的標(biāo)準(zhǔn) DrMOS 模塊不同，LTC7050 T星期一被拉到 V抄送僅當(dāng)芯片溫度至少為150°C時(shí);在其他故障條件下，T星期一將持續(xù)報(bào)告管芯溫度，同時(shí)FLTB漏極開(kāi)路輸出被拉低。單片架構(gòu)允許 T二極管和 T星期一以密切反映功率器件的溫度。當(dāng)在高相位計(jì)數(shù)系統(tǒng)中采用多個(gè)功率級(jí)時(shí)，T星期一可以連接引腳以報(bào)告最高溫度。

將自舉二極管和自舉電容集成到封裝中，無(wú)需升壓引腳，也避免了自舉驅(qū)動(dòng)器意外短路的可能性。在內(nèi)部，自舉驅(qū)動(dòng)器電壓受到持續(xù)監(jiān)控。如果電壓低于欠壓門(mén)限，則頂部FET關(guān)斷以避免過(guò)大的導(dǎo)通損耗。

結(jié)論

LTC7050 SilentMOS 單片式高電流智能功率級(jí)是高頻負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用的理想解決方案。對(duì)稱放置的集成熱回路帶來(lái)了許多好處。使用更少的外部元件可減少外部元件數(shù)量，縮小PCB尺寸，并降低物料成本。低開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴增強(qiáng)了器件的可靠性。低開(kāi)關(guān)相關(guān)損耗可在高開(kāi)關(guān)頻率下提供高效率，允許使用小型電感器，并且由于閉環(huán)帶寬較高，因此減小了輸出電容器的尺寸。全面的監(jiān)控和保護(hù)功能可在各種故障條件下保護(hù)昂貴的負(fù)載。

審核編輯：郭婷