LT1910：高性能保護(hù)型高端MOSFET驅(qū)動(dòng)器的深度解析

在電子工程師的日常工作中，尋找合適的MOSFET驅(qū)動(dòng)器來滿足各種復(fù)雜應(yīng)用需求是一項(xiàng)重要任務(wù)。今天，我們就來深入探討一下Linear Technology公司的LT1910，一款專為高端開關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)的高性能保護(hù)型高端MOSFET驅(qū)動(dòng)器。

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LT1910概述

LT1910是一款能夠讓低成本N溝道功率MOSFET在高端開關(guān)應(yīng)用中發(fā)揮出色性能的高端柵極驅(qū)動(dòng)器。它內(nèi)置了一個(gè)完全自給自足的電荷泵，無需外部組件就能充分增強(qiáng)N溝道MOSFET開關(guān)。其應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，涵蓋了工業(yè)控制、航空電子系統(tǒng)、汽車開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)控制以及電子斷路器等領(lǐng)域。那么，它究竟具備哪些獨(dú)特的特性，能在這些領(lǐng)域中嶄露頭角呢？

特性亮點(diǎn)

• 寬電源電壓范圍：支持8V至48V的電源電壓范圍，并且能夠承受 -15V至60V的電源瞬變，這使得它在電源波動(dòng)較大的環(huán)境中也能穩(wěn)定工作，大大增強(qiáng)了其適用性。
• 多重保護(hù)機(jī)制：具有短路保護(hù)功能，當(dāng)內(nèi)部漏極比較器檢測(cè)到開關(guān)電流超過預(yù)設(shè)水平時(shí)，開關(guān)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，并發(fā)出故障標(biāo)志信號(hào)。同時(shí)具備自動(dòng)重啟定時(shí)器，在故障排除后能夠自動(dòng)嘗試重啟，確保系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
• 可編程功能：可編程的電流限制、延遲時(shí)間和自動(dòng)重啟周期，讓工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行靈活調(diào)整，提高了設(shè)計(jì)的靈活性。
• 其他特性：采用開集電極故障標(biāo)志輸出，方便與其他電路進(jìn)行邏輯接口；能夠充分增強(qiáng)N溝道MOSFET開關(guān)；具備電壓限制的柵極驅(qū)動(dòng)，保護(hù)MOSFET免受過高電壓的損壞；默認(rèn)輸入開路時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性；采用SO - 8封裝，體積小巧，便于PCB布局。

技術(shù)參數(shù)解析

絕對(duì)最大額定值

在設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格遵循這些參數(shù)，以確保器件的安全和可靠性。例如，V + 引腳的電壓范圍為 - 15V至60V，GATE引腳的電壓最大值為75V等。如果超出這些額定值，可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。

電氣特性

在不同的工作條件下，LT1910的各項(xiàng)參數(shù)表現(xiàn)不同。例如，在關(guān)斷狀態(tài)下，當(dāng)V + = 48V，VIN = 0.8V時(shí)，電源電流IS為1.2 - 2.5mA；在導(dǎo)通狀態(tài)下，輸入高電壓VINH在E級(jí)和I級(jí)的參數(shù)分別為2V和3.5V等。這些參數(shù)對(duì)于工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)進(jìn)行精確計(jì)算和選型非常關(guān)鍵。

典型性能特性

通過一系列圖表展示的典型性能特性，如電源電流與電源電壓、溫度的關(guān)系，輸入電壓與溫度的關(guān)系等，能夠讓工程師直觀地了解器件在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，從而更好地優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

引腳功能詳解

GND（引腳1）

作為公共接地引腳，為整個(gè)電路提供穩(wěn)定的參考電位，是電路正常工作的基礎(chǔ)。

TIMER（引腳2）

通過連接到地的定時(shí)電容CT來設(shè)置過流檢測(cè)后的重啟時(shí)間。當(dāng)檢測(cè)到過流情況時(shí)，CT會(huì)迅速放電至小于1V，然后由一個(gè)標(biāo)稱電流源以14μA的電流將其重新充電至2.9V的定時(shí)器閾值，此時(shí)嘗試重啟。只要TIMER引腳電壓低于2.9V，GATE引腳就會(huì)拉低以關(guān)閉外部開關(guān)，直到過流情況消除，開關(guān)成功重啟。在正常工作時(shí)，該引腳標(biāo)稱鉗位在3.5V。想象一下，當(dāng)電路中出現(xiàn)短暫的過流情況時(shí)，這個(gè)引腳就像一個(gè)智能的守護(hù)者，自動(dòng)控制著開關(guān)的重啟，確保電路的安全。

FAULT（引腳3）

用于監(jiān)控TIMER引腳電壓，指示過流情況。當(dāng)TIMER引腳在電流限制條件開始時(shí)被拉低至3.3V以下，F(xiàn)AULT引腳會(huì)拉低變?yōu)橛行顟B(tài)。在自動(dòng)重啟期間，當(dāng)TIMER引腳電壓上升超過3.4V時(shí)，F(xiàn)AULT引腳會(huì)立即復(fù)位為高電平。它是一個(gè)開集電極輸出，需要外部上拉電阻，以便與邏輯接口相連。這個(gè)引腳就像是電路的“報(bào)警器”，及時(shí)告知工程師電路中是否出現(xiàn)了過流故障。

IN（引腳4）

輸入引腳閾值與TTL/CMOS兼容，具有約200mV的滯后。當(dāng)該引腳被拉高至2V以上時(shí)，內(nèi)部電荷泵會(huì)被激活，將GATE引腳拉高。即使電源開啟或關(guān)閉，該引腳都可以被拉高至15V。如果該引腳懸空，內(nèi)部的75k下拉電阻會(huì)將其拉低至0.8V以下，確保GATE引腳處于低電平不工作狀態(tài)。它就像電路的“開關(guān)鑰匙”，控制著整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的開啟和關(guān)閉。

GATE（引腳5）

用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET柵極。當(dāng)IN引腳電壓大于2V時(shí)，GATE引腳會(huì)被泵升至高于電源約12V的電壓。在被泵升至高于電源時(shí)，它具有相對(duì)較高的阻抗（相當(dāng)于幾百kΩ），因此需要注意盡量減少因寄生電阻到地或電源而產(chǎn)生的負(fù)載。當(dāng)TIMER引腳電壓低于2.9V時(shí)，GATE引腳會(huì)被拉低。它是直接控制MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷的關(guān)鍵引腳。

SENSE（引腳6）

連接到一個(gè)以電源為參考的比較器輸入，具有65mV的標(biāo)稱偏移。當(dāng)該引腳電壓比電源低超過65mV時(shí)，MOSFET柵極會(huì)被驅(qū)動(dòng)為低電平，同時(shí)定時(shí)電容會(huì)放電。該引腳閾值具有0.33%/°C的溫度系數(shù)，與PCB銅跡線形成的漏極檢測(cè)電阻的溫度系數(shù)相匹配。對(duì)于需要高浪涌電流的負(fù)載，可以在漏極檢測(cè)電阻和該引腳之間添加RC定時(shí)延遲，以防止啟動(dòng)時(shí)電流檢測(cè)比較器誤觸發(fā)。如果不需要電流檢測(cè)，該引腳應(yīng)連接到電源。它就像電路的“偵察兵”，時(shí)刻監(jiān)測(cè)著電流的變化。

V +（引腳8）

除了為L(zhǎng)T1910提供工作電流外，還作為電流檢測(cè)比較器的Kelvin連接點(diǎn)。為了確保正確的電流檢測(cè)操作，該引腳必須連接到漏極檢測(cè)電阻的正極。它是整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的“能量之源”。

工作原理剖析

LT1910的GATE引腳有兩種狀態(tài)：關(guān)斷和導(dǎo)通。在關(guān)斷狀態(tài)下，GATE引腳保持低電平；在導(dǎo)通狀態(tài)下，通過一個(gè)自給自足的750kHz電荷泵將其泵升至高于電源12V的電壓。關(guān)斷狀態(tài)的激活條件是IN引腳電壓低于0.8V或TIMER引腳電壓低于2.9V；而導(dǎo)通狀態(tài)的激活條件是IN引腳電壓高于2V且TIMER引腳電壓高于2.9V。

IN引腳具有約200mV的滯后，如果懸空，會(huì)被75k電阻拉低。正常情況下，TIMER引腳由一個(gè)14μA的上拉電流源保持在比2.9V高一個(gè)二極管壓降的電壓，因此如果IN引腳電壓高于2V，TIMER引腳會(huì)自動(dòng)使GATE引腳進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。

SENSE引腳通常連接到功率MOSFET的漏極，通過一個(gè)低值漏極檢測(cè)電阻返回電源。為了讓檢測(cè)比較器準(zhǔn)確檢測(cè)MOSFET漏極電流，V + 引腳必須直接連接到漏極檢測(cè)電阻的正極。當(dāng)GATE引腳導(dǎo)通且MOSFET漏極電流超過在漏極檢測(cè)電阻上產(chǎn)生65mV壓降所需的電流水平時(shí)，檢測(cè)比較器會(huì)激活一個(gè)下拉NPN晶體管，迅速將TIMER引腳電壓拉低至2.9V以下，從而使定時(shí)器比較器覆蓋IN引腳的狀態(tài)，將GATE引腳設(shè)置為關(guān)斷狀態(tài)，保護(hù)功率MOSFET。當(dāng)TIMER引腳電壓被拉低至3.3V以下時(shí)，故障比較器會(huì)激活開集電極NPN晶體管，將FAULT引腳拉低，指示過流情況。

當(dāng)MOSFET柵極電壓放電至小于1.4V時(shí)，TIMER引腳會(huì)被釋放，14μA的電流源會(huì)緩慢將定時(shí)電容充電至2.9V，此時(shí)電荷泵會(huì)再次啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)GATE引腳為高電平。如果故障仍然存在，檢測(cè)比較器閾值會(huì)再次被超過，定時(shí)器周期會(huì)重復(fù)，直到故障消除。當(dāng)TIMER引腳成功充電至超過3.4V時(shí)，F(xiàn)AULT引腳會(huì)變?yōu)榉羌せ畹母唠娖健?/p>

應(yīng)用注意事項(xiàng)

輸入/電源排序

LT1910對(duì)輸入/電源排序沒有要求。即使電源電壓為0V，IN引腳也可以被拉高至15V。當(dāng)電源接通且IN引腳設(shè)置為高電平時(shí)，MOSFET的導(dǎo)通會(huì)被抑制，直到定時(shí)電容充電至2.9V（即一個(gè)重啟周期）。

輸入隔離

在惡劣環(huán)境中工作時(shí)，可能需要進(jìn)行隔離以防止接地瞬變損壞控制邏輯。LT1910可以很方便地與低成本光耦合器接口。通過合理設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，可以確保輸入電壓被拉高至2V以上，但不會(huì)超過電源電壓在12V至48V范圍內(nèi)的絕對(duì)最大額定值。同時(shí)，光耦合器在高溫時(shí)的暗電流（泄漏電流）必須小于20μA，以保持關(guān)斷狀態(tài)。

漏極檢測(cè)配置

LT1910采用以電源為參考的電流檢測(cè)方式。電流檢測(cè)比較器的一個(gè)輸入連接到漏極檢測(cè)引腳，另一個(gè)輸入在器件內(nèi)部偏移至比電源低65mV。因此，LT1910的引腳8不僅要作為電源引腳，還要作為電流檢測(cè)比較器的參考輸入。在選擇漏極檢測(cè)電阻RS時(shí)，應(yīng)根據(jù)最小閾值電壓進(jìn)行計(jì)算，即RS = 50mV/ISET。這種簡(jiǎn)單的配置適用于在啟動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大電流瞬變的電阻性或電感性負(fù)載。

自動(dòng)重啟周期

定時(shí)電容CT決定了在電流限制跳閘后功率MOSFET保持關(guān)斷的時(shí)間長(zhǎng)度。通過典型性能特性曲線可以查看不同CT值對(duì)應(yīng)的重啟周期。例如，當(dāng)CT = 0.33μF時(shí)，重啟周期為50ms。

取消自動(dòng)重啟

對(duì)于一些在故障發(fā)生后需要保持關(guān)閉狀態(tài)的應(yīng)用，當(dāng)LT1910由CMOS邏輯驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以通過在IN和TIMER引腳之間連接電阻R2來實(shí)現(xiàn)。R2為內(nèi)部SCR提供維持電流，在故障條件下將TIMER引腳鎖定為低電平。當(dāng)TIMER引腳電壓低于3.3V時(shí)，F(xiàn)AULT引腳會(huì)被設(shè)置為低電平，從而防止MOSFET柵極導(dǎo)通，直到IN引腳重新觸發(fā)。CT用于防止在現(xiàn)有故障條件下IN引腳重新觸發(fā)以導(dǎo)通MOSFET時(shí)FAULT引腳出現(xiàn)毛刺。

感性和容性負(fù)載

• 感性負(fù)載：開啟感性負(fù)載時(shí)，MOSFET電流會(huì)產(chǎn)生相對(duì)平緩的上升斜坡。但關(guān)閉感性負(fù)載時(shí)，電感中儲(chǔ)存的電流需要有釋放途徑。通常會(huì)在每個(gè)感性負(fù)載兩端直接連接一個(gè)鉗位二極管來實(shí)現(xiàn)這一目的。如果沒有使用二極管，LT1910會(huì)將MOSFET柵極鉗位至比地低0.7V，這會(huì)導(dǎo)致MOSFET在電流衰減期間恢復(fù)導(dǎo)通，在其兩端產(chǎn)生(V + + VGS + 0.7V)的電壓，從而產(chǎn)生高功耗峰值。
• 容性負(fù)載：容性負(fù)載的行為與感性負(fù)載相反。任何包含去耦電容的負(fù)載在電容充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生等于CLOAD ? (?V/?t)的電流。對(duì)于大電解電容，產(chǎn)生的電流尖峰可能會(huì)對(duì)電源造成干擾，并使電流檢測(cè)比較器誤觸發(fā)?？梢酝ㄟ^添加簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)來控制開啟時(shí)的?V/?t，利用MOSFET在開啟時(shí)作為源極跟隨器的特性，通過控制柵極的?V/?t來控制源極的?V/?t。在關(guān)閉容性負(fù)載時(shí)，如果負(fù)載電阻不能及時(shí)將CLOAD放電，MOSFET的源極可能會(huì)“掛起”。此時(shí)，可以在柵極和源極之間添加一個(gè)15V齊納二極管，以防止VGS(MAX)超過額定值。同時(shí)，RD和CD可以延遲過流跳閘，對(duì)于高達(dá)約10 ? ISET的漏極電流，二極管會(huì)導(dǎo)通并提供立即關(guān)閉功能。為了確保定時(shí)器的正常運(yùn)行，CD必須小于等于CT。

  添加電流限制延遲

  在切換容性負(fù)載或在非常嘈雜的環(huán)境中，希望在漏極電流檢測(cè)路徑中添加延遲，以防止誤觸發(fā)?？梢酝ㄟ^圖5所示的電流限制延遲網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)這一目的。而感性負(fù)載通常不需要這種延遲。

  印刷電路板分流

  1oz銅箔的薄層電阻約為5 ? 10 - 4Ω/平方，溫度系數(shù)為0.39%/°C。由于LT1910的漏極檢測(cè)閾值具有類似的溫度系數(shù)（0.33%/°C），因此可以使用由PCB銅跡線材料制成的“免費(fèi)”漏極檢測(cè)電阻來實(shí)現(xiàn)接近零溫度系數(shù)的電流檢測(cè)。對(duì)于1oz銅，保守的做法是每1A電流使用0.02"的寬度，長(zhǎng)度為2"。對(duì)于2oz銅，寬度可以減半，長(zhǎng)度保持不變?？梢栽陔娮柚屑尤霃澢糠忠怨?jié)省空間，每個(gè)彎曲部分相當(dāng)于約0.6倍直線長(zhǎng)度的寬度。同時(shí)，應(yīng)采用Kelvin連接方式，從電阻兩端分別引出一條獨(dú)立的跡線連接到LT1910的V + 和SENSE引腳。

  低電壓/寬電源范圍操作

  當(dāng)電源電壓低于12V時(shí)，LT1910的電荷泵可能無法產(chǎn)生足夠的柵極電壓來充分增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)N溝道MOSFET。對(duì)于這些應(yīng)用，可以使用邏輯電平MOSFET將工作電源電壓擴(kuò)展至低至8V。如果MOSFET的最大VGS額定值為15V或更高，那么LT1910也可以在高達(dá)60V的電源電壓下工作（V + 引腳的絕對(duì)最大額定值）。

  防止電源瞬變

  LT1910經(jīng)過100%測(cè)試，保證在V + 和GND引腳之間施加60V電壓時(shí)不會(huì)損壞。但如果超過這個(gè)電壓，即使是短暫的幾微秒，也可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。因此，在這種應(yīng)用中，必須在V + 和GND引腳之間添加瞬態(tài)抑制器，如Diodes Inc.的SMAJ48A。同時(shí)，為了確保正確的電流檢測(cè)操作，V + 引腳應(yīng)連接到漏極檢測(cè)電阻的正極，并且電源應(yīng)在V + 引腳和漏極檢測(cè)電阻連接點(diǎn)處進(jìn)行充分去耦。當(dāng)工作電壓接近LT1910的60V絕對(duì)最大額定值時(shí)，強(qiáng)烈建議在V + 和GND引腳之間進(jìn)行局部電源去耦，并且必須使用帶有瞬態(tài)抑制器的RC緩沖器。但需要注意的是，不要在V + 引腳串聯(lián)電阻，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致電流檢測(cè)閾值出現(xiàn)誤差。

  低端驅(qū)動(dòng)

  雖然LT1910主要針對(duì)高端（接地負(fù)載）開關(guān)應(yīng)用，但也可以用于低端（電源連接負(fù)載）開關(guān)應(yīng)用。在使用時(shí)，由于LT1910的電荷泵會(huì)嘗試將N溝道MOSFET的柵極泵升至高于電源電壓，因此需要一個(gè)鉗位齊納二極管來防止MOSFET的VGS（絕對(duì)最大）超過額定值。LT1910的柵極驅(qū)動(dòng)具有電流限制功能，因此在GATE引腳和齊納二極管之間不需要電阻。對(duì)于低端驅(qū)動(dòng)的電流檢測(cè)，可以采用多種方式。如果負(fù)載的電源電壓在LT1910的電源工作范圍內(nèi)，可以通過電流檢測(cè)電阻將負(fù)載連接回電源，以實(shí)現(xiàn)LT1910保護(hù)電路的正常運(yùn)行。如果負(fù)載不能通過電流檢測(cè)電阻連接回電源，或者負(fù)載電源電壓高于LT1910的電源電壓，則需要將電流檢測(cè)轉(zhuǎn)移到低端MOSFET的源極?？梢允褂靡粋€(gè)運(yùn)算放大器（必須能夠共模到地）將RS兩端的電壓電平轉(zhuǎn)換到漏極檢測(cè)引腳，這種方法允許使用由PCB銅跡線材料制成的小檢測(cè)電阻。在這種情況下，LT1910的重啟定時(shí)器功能與高端開關(guān)應(yīng)用相同。

總結(jié)

LT1910以其豐富的特性和靈活的應(yīng)用方式，為電子工程師在設(shè)計(jì)高端開關(guān)應(yīng)用電路時(shí)提供了一個(gè)強(qiáng)大而可靠的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要充分理解其各項(xiàng)參數(shù)和工作原理，并根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，合理選擇引腳配置和外部組件，以確保電路的性能、穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，通過參考相關(guān)的技術(shù)文檔和應(yīng)用案例，可以更好地發(fā)揮LT1910的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的電路設(shè)計(jì)。在你的設(shè)計(jì)中，是否也遇到過類似需求的場(chǎng)景呢？你會(huì)選擇LT1910作為解決方案嗎？歡迎一起交流探討。