高頻負載點供電難，何解？ 這款大電流智能功率驅動器來破題
2022-10-24
作者：ADI IC設計工程師Yingyi Yan，ADI IC設計工程師Eugene Cheung，ADI IC設計工程師Eric Gu，ADI IC設計工程師Tuan Nguyen
來源：ADI公司
當前，新能源車正處于高速發展階段，為動力負載供電系統的穩定運行提出了全新挑戰。能否有一種新型大電流負載點轉換器，可滿足電源負載系統設計中對高效率、高密度、可靠功率級日益增長的需求。對此，ADI公司推出了LTC7050 SilentMOS?系列智能功率驅動器，成為有效解決上述難題的利器。
為何首選ADI LTC7050 SilentMOS系列
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換器。LTC7051單通道140A功率級利用了LTC7050內核設計，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動器在電氣和熱優化封裝中完全集成了高速驅動器和低電阻半橋電源開關，以及全面的監控和保護電路。借助合適的高頻控制器，該功率驅動器可形成具有先進的效率和瞬態響應的緊湊型大電流穩壓器系統。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。
低開關節點應力增強功率級的穩健性
在常規降壓調節器設計中，輸入電容和功率MOSFET之間的熱環路電感會導致開關節點處出現較大的尖峰。SilentMOS LTC7050采用Silent Switcher 2技術，在LQFN封裝內部集成了關鍵的VIN解耦電容。熱環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布局與常規功率驅動器。如圖2所示，當輸入電壓為12V且輸出滿載時，開關節點的峰值電壓僅為13V。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具有內部對稱的小型熱環路，以便最大限度地減少振鈴，(a)顯示LTC7050，(b)顯示常規DrMOS模塊
高效率和先進封裝支持高功率密度
LTC7050的轉換損耗很低，因而在高頻設計中，其比常規DrMOS模塊效率更高。功率器件電流和電壓的重疊時間由驅動速度決定。在多芯片DrMOS模塊中，驅動速度受驅動器與功率MOSFET之間以及驅動器與其電容之間的電感限制。過快驅動MOSFET柵極可能導致功率器件/驅動器的柵極過壓，并引發故障。另外，高di/dt會導致開關節點處出現較大的尖峰，因為熱環路電感不可忽略。
LTC7050的驅動器與功率回路集成在同一裸片上，并且所有柵極驅動器的電容都在封裝中。由于取消了鍵合線，每個驅動環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。開關節點電壓的典型上升沿短至1ns，如圖2所示。一流的驅動速度大大降低了轉換損耗。高驅動速度允許LTC7050具有零死區時間，從而大大降低二極管導通和反向恢復損耗。
圖4顯示了600kHz和1MHz時的12V至1.0V轉換效率和損耗曲線。
測試條件：VIN = 12V，VOUT = 1V，IOUT = 60A，無氣流，電路板持續運行30分鐘以上。
嚴格的故障警報和保護系統確保負載安全
LTC7050系列集成了一系列故障檢測、警報和保護特性，以確保系統安全。
LTC7050為頂部和底部FET提供了經過全面測試的過流保護。當功率器件提取流經功率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。單片架構的這些內在優點支持實時、精確的電流監測和保護。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，FLTB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流至
零。當電流斜坡降至零后，驅動器又只接受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抖動，避免器件產生熱應力。圖6顯示了負載電流斜坡上升，直至觸發正過電流保護。
為了保證功率器件始終在安全工作區內工作，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流，如上所述。
LTC7050系列為控制器（如LTC3884）或系統監視器提供了兩個溫度測量接口。TDIODE引腳連接到PN結二極管，以使用VBE方法或ΔVBE方法測量IC結溫。TMON是專用引腳，以行業標準8mV/°C斜率報告芯片溫度。標準DrMOS模塊將模擬溫度監控與其他故障警報結合在一個引腳上，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動器意外短路的可能性。內部會持續監視自舉驅動器的電壓。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。
結論
LTC7050 SilentMOS單片式大電流智能功率驅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，因為閉環帶寬更高。全面的監控和保護特性可在各種故障條件下保護昂貴的負載。