LT8672：高效主動整流控制器的技術(shù)解析與應(yīng)用拓展
LT8672：高效主動整流控制器的技術(shù)解析與應(yīng)用拓展
在電子設(shè)計領(lǐng)域，主動整流控制器對于提高電源效率和保護(hù)電路安全起著至關(guān)重要的作用。今天，我們將深入探討一款性能卓越的主動整流控制器——LT8672，詳細(xì)剖析其特性、工作原理及應(yīng)用場景。
文件下載：LT8672.pdf
一、產(chǎn)品概述
LT8672是一款專為反向輸入保護(hù)設(shè)計的主動整流控制器，它通過驅(qū)動外部N溝道MOSFET來替代功率肖特基二極管，具有極低的靜態(tài)電流和快速的瞬態(tài)響應(yīng)，能滿足汽車應(yīng)用中高達(dá)100kHz交流輸入信號的嚴(yán)格要求。該產(chǎn)品具有AEC - Q100認(rèn)證，適用于汽車應(yīng)用，同時在工業(yè)電源和便攜式儀器等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。
二、產(chǎn)品特性
2.1 電氣特性
- 寬電壓范圍與低功耗：工作電壓范圍為3V至42V，能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境。靜態(tài)電流低至20μA，關(guān)機(jī)電流僅3.5μA，大大降低了系統(tǒng)功耗，提高了能源利用效率。
- 高效整流與低壓降：與肖特基二極管相比，能將功耗降低90%以上，壓降減小至20mV，有效減少了能量損耗，提升了系統(tǒng)的整體效率。
- 快速響應(yīng)能力：具有超快的瞬態(tài)響應(yīng)，能夠?qū)焖僮兓妮斎胄盘栕龀黾皶r響應(yīng)?？烧?VP - P高達(dá)50kHz、2VP - P高達(dá)100kHz的交流輸入信號，確保在高頻信號下也能實現(xiàn)高效整流。
2.2 保護(hù)特性
- 反向輸入保護(hù)：具備反向輸入保護(hù)功能，可承受至 - 40V的反向電壓，有效保護(hù)電路免受反向電壓的損害，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
- 輸入短路保護(hù)：當(dāng)輸入電源故障或短路時，能夠快速關(guān)斷，將反向電流瞬變降至最低，避免對電路造成進(jìn)一步的損壞。
2.3 封裝特性
提供多種封裝形式，包括10引腳的MSOP封裝、10引腳3mm × 2mm的DFN封裝以及3mm × 2mm的側(cè)面可焊DFN封裝。這些封裝形式尺寸小巧，便于在不同的電路板上進(jìn)行布局和安裝，滿足了多樣化的設(shè)計需求。
三、工作原理
3.1 主動整流控制器
主動整流控制器通過控制外部N溝道MOSFET（M1）形成理想二極管。GATE放大器感應(yīng)DRAIN和SOURCE兩端的電壓，并驅(qū)動MOSFET的柵極，將正向電壓調(diào)節(jié)至20mV。當(dāng)負(fù)載電流增加時，GATE端電壓升高，直至MOSFET完全導(dǎo)通；當(dāng)負(fù)載電流減小時，GATE端電壓降低，以維持20mV的壓降。若VDRAIN電壓降低到無法維持20mV的正向壓降時，GATE放大器將MOSFET關(guān)斷。
在快速的SOURCE - DRAIN瞬變過程中，如輸入信號快速變化時，調(diào)節(jié)20mV的環(huán)路可能響應(yīng)過慢，此時快速上拉（FPU）和快速下拉（FPD）電流路徑會迅速導(dǎo)通和關(guān)斷外部MOSFET，實現(xiàn)對輸入信號的整流，且功耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)二極管。
3.2 輔助升壓調(diào)節(jié)器
輔助升壓調(diào)節(jié)器采用滯回控制方案，并結(jié)合100mA的恒定低側(cè)電流限制。當(dāng)AUX - DRAIN電壓低于標(biāo)稱值（通常為11V）時，低側(cè)功率開關(guān)導(dǎo)通，LAUX電感電流上升，直至達(dá)到100mA的電流限制，此時低側(cè)開關(guān)關(guān)斷，電感向CAUX放電，直至電流降為零。若AUX - DRAIN電壓仍未達(dá)到標(biāo)稱值，低側(cè)開關(guān)再次導(dǎo)通；若已達(dá)到標(biāo)稱值，則關(guān)閉所有高功率電路以降低靜態(tài)電流。
3.3 電源良好引腳（PG）
PG引腳是內(nèi)部監(jiān)測電路的開漏輸出。當(dāng)無故障發(fā)生時，PG引腳呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，表明外部MOSFET正常工作。當(dāng)滿足以下條件之一時，PG引腳拉低：器件處于關(guān)機(jī)狀態(tài)；啟動時AUX電壓未達(dá)到調(diào)節(jié)值；柵極驅(qū)動器的快速上拉路徑激活時間超過17μs。PG引腳可用于控制輸出負(fù)載，保護(hù)MOSFET在這些情況下不被過載。
四、應(yīng)用信息
4.1 主動整流控制器優(yōu)勢
在電源輸入中，傳統(tǒng)的阻塞二極管常用于防止電源反接，但會帶來較大的電壓降和功率損耗。LT8672用MOSFET替代二極管，顯著降低了電壓降和功率損耗。從功率損耗對比曲線可以看出，在實際應(yīng)用中，MOSFET方案相較于肖特基二極管能大幅節(jié)省功耗，這也意味著在電路板上能減少散熱需求，節(jié)省空間。在低輸入電壓情況下，MOSFET的正向電壓損耗優(yōu)勢更加明顯。
4.2 工作范圍與性能表現(xiàn)
LT8672的工作電壓范圍為3V至42V，能承受-40V至42V的絕對最大電壓范圍而不損壞。在汽車應(yīng)用中，它能應(yīng)對負(fù)載突降、冷啟動和雙電池跳躍等情況，還能在電池反接時保護(hù)負(fù)載。憑借其對外部MOSFET正向電壓變化的快速響應(yīng)能力，它可以對高達(dá)6VP - P、頻率達(dá)50kHz的輸入紋波進(jìn)行整流，對于2Vp - p的輸入紋波，整流頻率可達(dá)100kHz。這種快速的柵極驅(qū)動能力能防止外部MOSFET在惡劣條件下過熱，因為在紋波周期內(nèi)，其體二極管僅在很小一部分時間內(nèi)導(dǎo)通電流。需要注意的是，SOURCE引腳通常不需要旁路電容，如果因其他原因需要添加，其電容值不得超過60nF，否則可能影響柵極驅(qū)動器的穩(wěn)定性。
4.3 關(guān)斷模式與欠壓鎖定
當(dāng)EN/UVLO引腳電壓低于1.21V時，LT8672進(jìn)入關(guān)斷模式，將GATE引腳拉低至SOURCE，關(guān)閉MOSFET，使電流消耗降至3.5μA。不過，由于MOSFET的體二極管始終存在，關(guān)斷模式并不會切斷負(fù)載與輸入的連接。如果不需要關(guān)斷功能，可將EN/UVLO連接到DRAIN。EN/UVLO可以由3.3V或5V邏輯信號驅(qū)動，要禁用該器件，需將EN/UVLO拉低至1.21V以下。通過在SOURCE和EN/UVLO之間添加電阻分壓器，可以使LT8672在(V{BAT})低于閾值電壓(V{BAT(EN/UVLO)})時自動禁用，計算公式為(R1 = R2(frac{V{BATT(EN / UVLO )}}{1.21 V}-1))。由于比較器存在遲滯現(xiàn)象，(V{BAT})需略高于(V{BAT(EN/UVLO)})時，LT8672才會重新啟用。為避免EN/UVLO受到附近時鐘線或高dV/dt走線的電容耦合影響，可使用1nF電容將其旁路到GND。這個電容如果選擇合適，還能防止(V{BAT})上的負(fù)電壓瞬變意外禁用LT8672。
4.4 輸入短路故障與負(fù)瞬變保護(hù)
對于快速負(fù)輸入瞬變，LT8672依靠其快速下拉（FPD）比較器。但由于FPD閾值為負(fù)，在FPD關(guān)閉之前，外部MOSFET中會積累反向電流。當(dāng)外部MOSFET最終關(guān)閉時，由于SOURCE前端存在寄生電感或用于EMI濾波的電感，反向電流存儲的能量會使SOURCE節(jié)點電壓變負(fù)。為防止SOURCE上的負(fù)瞬變損壞LT8672，可使用兩個TVS二極管將SOURCE引腳鉗位到地節(jié)點。其中，D2用于鉗位MOSFET在FPD事件關(guān)閉后出現(xiàn)的負(fù)尖峰，在汽車應(yīng)用中，18V的TVS二極管是一個不錯的選擇；D1用于在負(fù)載階躍和過壓條件下保護(hù)SOURCE，33V的TVS二極管適用于汽車應(yīng)用。如果既不需要D1也不需要反向電流保護(hù)（D2），仍需在SOURCE處使用一個二極管來保護(hù)LT8672免受寄生輸入電感引起的負(fù)電感尖峰影響。當(dāng)輸入電壓比外部MOSFET的(V{GS(MAX)})大4V時，PCB上SOURCE節(jié)點的直接短路（電感小于幾nH）可能會使外部MOSFET的(VGS)暫時超過(V{GS(MAX)})，此時需要D3來保護(hù)外部MOSFET。不過，D3的任何泄漏電流都會相應(yīng)增加總靜態(tài)電流，并且其泄漏電流不應(yīng)超過5μA，以免在柵極驅(qū)動器輸入處產(chǎn)生偏移，增加SOURCE - DRAIN調(diào)節(jié)電壓。
4.5 快速輸入紋波整流
LT8672專為滿足汽車電子控制單元（ECU）連接電池的嚴(yán)格要求而設(shè)計。根據(jù)汽車標(biāo)準(zhǔn)ISO16750或LV124，ECU的電源可能會疊加頻率高達(dá)30kHz、振幅高達(dá)6VP - P的交流紋波。由于其柵極驅(qū)動器具有高輸出電流和短延遲時間，LT8672能夠在這些頻率下快速控制外部MOSFET，將功率損耗和反向電流傳導(dǎo)降至最低，同時顯著降低輸出電容中的紋波電流。不同輸入紋波頻率下的輸入和輸出波形圖展示了其良好的整流效果。
4.6 MOSFET選擇
所有負(fù)載電流都通過外部MOSFET（M1），因此MOSFET的重要特性包括導(dǎo)通電阻(R{DS(ON)})、最大漏源電壓(B{VDSS})、柵極閾值電壓(VGS(TH))和總柵極電荷(Q {G T O T})。在3V至42V的整個工作范圍內(nèi)，柵極驅(qū)動與標(biāo)準(zhǔn)閾值和邏輯電平MOSFET兼容。對于邏輯電平MOSFET，(V{GS(MAX)})應(yīng)不低于±15V。最大允許的漏源電壓(BvDss)必須高于電源電壓，當(dāng)輸入接地時，MOSFET兩端將承受全部電源電壓；當(dāng)輸入反接且輸出由充電電容、電池或電源維持時，MOSFET兩端的電壓為輸入和輸出電壓之和，因此(B{VDSS }>V{OUT }+|V{BATI }|)。MOSFET的導(dǎo)通電阻(R{DS(ON)})直接影響正向電壓降和功率損耗，為降低功率損耗，期望的正向電壓降應(yīng)小于二極管，60mV是一個不錯的起始點，可根據(jù)公式(R{DS(ON)}
4.7 電解電容器與紋波電壓
在整流過程中，電解電容器(C{LOAD })用于降低負(fù)載所看到的紋波電壓。負(fù)載所承受的剩余紋波電壓(V{R})取決于(C{LOAD })、紋波頻率、紋波振幅和負(fù)載電流，其計算公式為(V{R}=frac{4 V{A C} cdot I{L O A D}}{4 V{A C} cdot f cdot C{L O A D}+I{L O A D}})，其中(V{AC})為紋波振幅（V），f為紋波頻率（Hz），(C{LOAD})為電解電容器電容（F），(I{LOAD})為負(fù)載電流（A）。任何由(C{LOAD})的等效串聯(lián)電阻引起的紋波都會相應(yīng)增加(V{R})，特別是在高頻時。由于負(fù)載的電源抑制能力通常隨頻率下降，因此通常希望在給定頻率f下限制(V{R})，可根據(jù)公式(C{LOAD}=frac{4 V{A C}-V{R}}{4 V{A C} cdot V{R} cdot f} cdot I_{LOAD })計算所需的最小電容值。在選擇電解電容器時，還需考慮高頻下的高峰值電流。
4.8 汽車?yán)鋯討?yīng)用
在汽車?yán)鋯樱ㄈ鏛V124 E - 11）時，電池電壓可能降至3.2V。傳統(tǒng)的使用肖特基二極管等無源整流器的反向保護(hù)方案由于電壓降大，要求供電電路在低至2.5V的最小輸入電壓下工作，可能需要使用降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器來提供許多微控制器所需的穩(wěn)定3V電源。而LT8672的最小輸入工作電壓為3V，能使主動整流器在冷啟動脈沖期間以最小的輸入輸出壓差工作，從而可以使用具有3V最小工作電壓和低壓差特性的降壓調(diào)節(jié)器（如LT8650S）來生成3V電源。對比LT8672主動整流控制器和肖特基二極管在冷啟動脈沖期間的輸入和輸出波形圖，可以明顯看出LT8672的優(yōu)勢。
4.9 輔助升壓調(diào)節(jié)器
輔助升壓調(diào)節(jié)器為柵極驅(qū)動器提供升壓電壓，以至少10V的柵極驅(qū)動充分增強(qiáng)外部MOSFET。它采用滯環(huán)控制方案，并結(jié)合100mA的恒定低端電流限制，其開關(guān)頻率的最大值取決于電感值和DRAIN電壓。推薦的升壓調(diào)節(jié)器外部無源組件包括一個1μF/16V陶瓷電容器和一個47μH至100μH的電感器，電感器的飽和電流應(yīng)至少為120mA，ESR不應(yīng)超過10Ω，如Taiyo Yuden的CBC2518T470K或CBC2518T101K，以及Coilcraft的XPL2010系列等小型貼片電感都是不錯的選擇。AUX引腳可提供給柵極驅(qū)動器的最大輸出電流可通過公式(I{AUX(MAX) }=50 cdot frac{V{DRAIN }-1}{V{DRAIN }+11.8})近似計算，其中(I{AUX(MAX)})為最大升壓調(diào)節(jié)器輸出電流（mA），(V{DRAIN})為DRAIN引腳電壓（V）。升壓調(diào)節(jié)器的最大開關(guān)頻率可通過公式(f{AUXSW(MAX) }=frac{1180 cdotleft(V{DRAIN }-0.2right)}{left(V{DRAIN }+11.6right) cdotleft(10 L{AUX }+3 V{DRAIN }-0.6right)})近似計算，其中(f{AUXSW(MAX)})為最大開關(guān)頻率（MHz），(V{DRAIN})為DRAIN引腳電壓（V），(L{AUX})為升壓調(diào)節(jié)器電感（μH）。根據(jù)柵極驅(qū)動器周期性開關(guān)外部MOSFET所需的總平均電流，升壓調(diào)節(jié)器可能會進(jìn)入不連續(xù)模式并以較低頻率開關(guān)，計算公式為(f{AUXSW }=frac{2.9 cdot I{AUX }}{L{AUX }})，其中(f{AUXSW})為開關(guān)頻率（MHz），(I{AUX})為柵極驅(qū)動器所需的平均電流（mA），(L{AUX})為升壓調(diào)節(jié)器電感（μH）。在輸入紋波整流期間，完全充電和放電外部MOSFET的柵極電容所需的平均AUX電流為(I{AUX }=frac{f cdot Q{G}}{1000})，其中f為紋波頻率（kHz），(Q{G})為外部MOSFET的總柵極電荷（nC），(I_{AUX})為柵極驅(qū)動器從AUX引腳汲取的電流（mA）。當(dāng)主動整流器處于穩(wěn)態(tài)時，柵極驅(qū)動器所需的AUX引腳電流約為1μA，升壓調(diào)節(jié)器大部分時間處于睡眠模式，僅偶爾喚醒以維持AUX引腳電壓比DRAIN高11V。不同AUX負(fù)載電流下的典型波形圖展示了其工作情況。
4.10 電源良好引腳
電源良好引腳（PG）是內(nèi)部監(jiān)控電路的輸出，當(dāng)外部MOSFET能夠以源極和漏極之間小于75mV的電壓通過全部負(fù)載電流時，PG發(fā)出信號。只有當(dāng)LT8672啟用、啟動期間AUX電壓達(dá)到其調(diào)節(jié)值，且柵極驅(qū)動器的快速上拉路徑激活時間不超過17μs時，PG才會變?yōu)楦唠娖?，這有助于檢測多種系統(tǒng)故障。例如，外部MOSFET的柵極可能短路到地或源極，導(dǎo)致無法開啟，使柵極驅(qū)動器的快速上拉路徑一直激活，從而將PG拉低；啟動期間AUX電壓不足可能導(dǎo)致PG也被拉低。即使在關(guān)斷模式下，PG仍然有效（拉低），雖然這可能會通過PG上的外部上拉電阻增加整體關(guān)斷電流，但能讓系統(tǒng)正確了解LT8672的關(guān)斷狀態(tài)以及它無法增強(qiáng)外部MOSFET的情況。如果使用PG來控制外部MOSFET中的負(fù)載電流，可以防止其體二極管長時間傳導(dǎo)大電流，從而顯著減少外部MOSFET在故障條件下產(chǎn)生的熱量。建議選擇足夠大的MOSFET，以確保在最大負(fù)載電流下不超過75mV的閾值。如果在應(yīng)用中忽略PG標(biāo)志，只要MOSFET的功率損耗保持在安全范圍內(nèi)，就可以將其推至更高的正向電壓。PG輸出在DRAIN高于最小輸入電壓時有效，不同“MOSFET未就緒”條件下的電源良好引腳波形圖展示了其響應(yīng)情況。
4.11 布局考慮
在PCB布局時，應(yīng)將SOURCE和DRAIN引腳盡可能靠近MOSFET的源極和漏極引腳，保持到MOSFET的走線寬而短，以減少電阻損耗。將浪涌抑制器和必要的瞬態(tài)保護(hù)組件靠近LT8672放置，并使用短引腳長度。為防止泄漏導(dǎo)致MOSFET開啟，GATE走線與其他節(jié)點之間應(yīng)保持足夠的距離，僅允許SOURCE和DRAIN走線與GATE走線并行。使用免清洗助焊劑以減少PCB污染。由于集成升壓調(diào)節(jié)器會使開關(guān)電流在(C{AUX})、(C{OUT})以及AUX、AUXSW和GND引腳中流動，因此應(yīng)將這些電容器盡可能靠近LT8672放置，以最小化(C{AUX})和(C{OUT})形成的回路。(C{OUT})可以分為兩個電容器(C{OUT1})（靠近LT8672）和(C{OUT2})（較遠(yuǎn)），但(C{OUT1})的電容值應(yīng)至少為1μF。
五、典型應(yīng)用
文檔給出了多個典型應(yīng)用電路，包括12V汽車應(yīng)用的主動整流器、帶DRAIN端EMI濾波器的12V汽車應(yīng)用主動整流器、高負(fù)載的12V汽車應(yīng)用主動整流器以及帶SOURCE端EMI濾波器的12V汽車應(yīng)用主動整流器等。這些應(yīng)用電路展示了LT8672在不同場景下的具體應(yīng)用方式，為工程師進(jìn)行實際設(shè)計提供了參考。
六、封裝描述
LT8672提供了三種封裝形式，分別是10引腳塑料MSOP（MS）封裝、10引腳塑料DFN（3mm × 2mm）（DDB）封裝和10引腳塑料側(cè)面可焊DFN（3mm x 2mm）（DDBM）封裝。文檔詳細(xì)給出了每種封裝的尺寸、引腳布局以及推薦的焊盤布局等信息，方便工程師進(jìn)行PCB設(shè)計時選擇合適的封裝。
七、修訂歷史
文檔記錄了LT8672的修訂歷史，包括不同版本的發(fā)布日期、主要更改內(nèi)容和涉及的頁碼。這有助于工程師了解器件的發(fā)展歷程和各個版本的改進(jìn)之處，在使用時可以根據(jù)實際需求選擇合適的版本。
八、相關(guān)部件
文檔還列出了一些相關(guān)部件，如LT3667/LT3668、LTC 4359、LT8609S等，并給出了它們的簡要描述和主要參數(shù)。這些相關(guān)部件可以為工程師在設(shè)計中提供更多的選擇和參考，根據(jù)具體需求搭配使用不同的器件，以實現(xiàn)更完善的電路功能。
總的來說，LT8672是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的主動整流控制器，在汽車和工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。工程師在使用時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和要求，合理選擇外部組件，進(jìn)行優(yōu)化的PCB布局，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。大家在實際設(shè)計過程中，有沒有遇到過類似器件應(yīng)用的挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。
-
汽車應(yīng)用
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
283瀏覽量
17458 -
LT8672
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
4瀏覽量
2970
發(fā)布評論請先 登錄
工商網(wǎng)監(jiān)
評論