LTC7000/LTC7000 - 1：高性能高側(cè)NMOS靜態(tài)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器的深度解析

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，選擇合適的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要，它直接影響到電路的性能、穩(wěn)定性和可靠性。今天，我們就來(lái)深入探討一款高性能的高側(cè)N溝道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器——LTC7000/LTC7000 - 1，看看它有哪些獨(dú)特的特性和應(yīng)用場(chǎng)景。

文件下載：LTC7000.pdf

一、產(chǎn)品概述

LTC7000/LTC7000 - 1是一款能夠在高達(dá)135V輸入電壓下工作的快速高側(cè)N溝道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器。它內(nèi)置的電荷泵可完全增強(qiáng)外部N溝道MOSFET開(kāi)關(guān)，使其能夠持續(xù)導(dǎo)通。強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器能夠以極短的轉(zhuǎn)換時(shí)間輕松驅(qū)動(dòng)大柵極電容，非常適合高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用或需要快速開(kāi)啟和/或關(guān)閉時(shí)間的靜態(tài)開(kāi)關(guān)應(yīng)用。

二、產(chǎn)品特性

1. 寬輸入電壓范圍：工作電壓 (V_{IN}) 范圍為3.5V至135V（絕對(duì)最大150V），能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。
2. 快速開(kāi)關(guān)特性：具有1Ω下拉和2.2Ω上拉電阻，傳播延遲僅35ns，可實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)啟和關(guān)閉，有效減少開(kāi)關(guān)損耗。
3. 內(nèi)部電荷泵：支持100%占空比，降低外部MOSFET導(dǎo)通電阻帶來(lái)的功率損耗。
4. 短路保護(hù)：LTC7000具備可調(diào)節(jié)的電流跳閘閾值，能在短路時(shí)及時(shí)保護(hù)電路。
5. 電流監(jiān)測(cè)輸出：LTC7000提供電流監(jiān)測(cè)輸出，方便工程師實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路電流。
6. 自動(dòng)重啟定時(shí)器：在故障排除后，可自動(dòng)嘗試重啟，提高系統(tǒng)的可靠性。
7. 開(kāi)漏故障標(biāo)志：能及時(shí)反饋故障信息，便于工程師快速定位問(wèn)題。
8. 可調(diào)節(jié)參數(shù)：可調(diào)節(jié)開(kāi)啟壓擺率、(V{IN}) 欠壓和過(guò)壓鎖定、驅(qū)動(dòng)器電源 (V{CC}) 欠壓鎖定等參數(shù)，滿足不同的設(shè)計(jì)需求。
9. 低功耗：關(guān)機(jī)電流僅1μA，有效降低系統(tǒng)功耗。
10. 封裝與兼容性：采用熱增強(qiáng)型16引腳MSOP封裝，具備AEC - Q100汽車應(yīng)用認(rèn)證，且輸入與CMOS兼容。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

1. 靜態(tài)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器：可用于負(fù)載和電源開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的高效控制。
2. 電子閥驅(qū)動(dòng)器：在電子閥控制中，能夠快速準(zhǔn)確地驅(qū)動(dòng)閥門(mén)開(kāi)關(guān)。
3. 高頻高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器：滿足高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用的需求，適用于各種高頻電路設(shè)計(jì)。

四、工作原理與關(guān)鍵特性詳解

1. 過(guò)流保護(hù)

LTC7000/LTC7000 - 1通過(guò)監(jiān)測(cè)外部MOSFET漏極串聯(lián)的檢測(cè)電阻兩端的電壓，當(dāng)電壓超過(guò)電流比較器閾值電壓 (Delta V{TH}) 時(shí)，經(jīng)過(guò)由定時(shí)電容 (C{T}) 設(shè)置的一段時(shí)間后，將TGDN拉至TS，使外部MOSFET關(guān)閉。當(dāng)ISET懸空時(shí)，(Delta V{TH}) 內(nèi)部編程為30mV，可使用較低值的檢測(cè)電阻，減少電流檢測(cè)帶來(lái)的外部傳導(dǎo)損耗。通過(guò)在ISET和地之間連接電阻，可將 (Delta V{TH}) 編程為20mV至75mV。

2. 電流監(jiān)測(cè)（僅LTC7000）

LTC7000的IMON引腳提供一個(gè)參考地的輸出電壓，該電壓反映了連接在 (SNS^{+}) 和 (SNS^{-}) 之間的外部檢測(cè)電阻中的電流。IMON引腳的電壓是 (SNS^{+}) 和 (SNS^{-}) 引腳之間電壓差的20倍，范圍為0V至1.5V。當(dāng)INP為低電平時(shí)，IMON引腳通過(guò)100kΩ電阻拉至地。

3. (V_{CC}) 電源

MOSFET驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)部電路的電源來(lái)自 (V{CC}) 引腳，該引腳電壓由連接到 (V{IN}) 的內(nèi)部P溝道LDO生成。對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用，也可從外部高效電源對(duì) (V{CC}) 進(jìn)行過(guò)驅(qū)動(dòng)，但 (V{CC}) 電壓不應(yīng)高于 (V_{IN}) ，否則可能會(huì)損壞器件。

4. 內(nèi)部電荷泵

內(nèi)部電荷泵使MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)100%占空比，將BST - TS電壓調(diào)節(jié)至12V，降低外部MOSFET導(dǎo)通電阻帶來(lái)的功率損耗。電荷泵使用TS或 (V_{CC}) 中的較高電壓作為充電源。

5. 啟動(dòng)與關(guān)機(jī)

• LTC7000：當(dāng)RUN引腳電壓低于0.7V時(shí)，進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，所有內(nèi)部電路禁用，直流電源電流降至約1μA。當(dāng)RUN引腳電壓超過(guò)0.7V時(shí)，連接到 (V{IN}) 的內(nèi)部LDO啟用，將 (V{CC}) 調(diào)節(jié)至10V。當(dāng) (V{IN}) 電壓低于10V時(shí)，LDO工作在降壓模式，(V{CC}) 跟隨 (V_{IN}) 。當(dāng)RUN引腳電壓超過(guò)1.21V時(shí)，輸入電路啟用，允許TGUP和TGDN相對(duì)于TS拉高。
• LTC7000 - 1：不包含RUN引腳，當(dāng) (V{IN}) 高于3.5V時(shí)，連接到 (V{IN}) 的內(nèi)部LDO和輸入電路啟用。

6. 保護(hù)電路

• 過(guò)溫保護(hù)：當(dāng)結(jié)溫達(dá)到約180°C時(shí)，進(jìn)入熱關(guān)機(jī)模式，TGDN被拉至TS。當(dāng)器件冷卻至160°C以下時(shí)，TGDN可再次拉高。
• 電壓范圍保護(hù)：當(dāng) (V{IN}) 、 (V{CC}) 或 ((V{BST}-V{TS})) 不在正常工作范圍內(nèi)時(shí)，禁止TGUP拉至BST。通過(guò)使用從 (V{IN}) 到地的電阻分壓器（僅LTC7000），RUN和OVLO引腳可作為精確的輸入電源過(guò)壓/欠壓鎖定。當(dāng)RUN低于1.11V或OVLO高于1.21V時(shí)，TGDN被拉至TS。此外，當(dāng) (V{IN}) 低于3.5V時(shí)，內(nèi)部欠壓檢測(cè)器將TGDN拉至TS。
• (V_{CC}) 欠壓鎖定： (V{CC}) 包含欠壓鎖定功能，可通過(guò) (V{CCUV}) 引腳進(jìn)行配置。當(dāng) (V{CCUV}) 懸空時(shí)，TGDN被拉至TS，直到 (V{CC}) 大于7.0V。通過(guò)使用從 (V{CCUV}) 到地的電阻，可將 (V{CC}) 的上升欠壓鎖定電壓從3.5V調(diào)節(jié)至10.5V。
• BST - TS欠壓鎖定：當(dāng)BST到TS的浮動(dòng)電壓低于3.1V（典型值）時(shí)，內(nèi)部欠壓鎖定將TGDN拉至TS。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 輸入級(jí)設(shè)計(jì)

LTC7000/LTC7000 - 1采用CMOS兼容的輸入閾值，允許連接到INP的低電壓數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)功率MOSFET。內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器為連接到INP的輸入緩沖器提供偏置，使輸入閾值（ (V{IH}=2.0V) ， (V{IL}=1.6V) ）獨(dú)立于 (V{CC}) 的變化。 (V{IH}) 和 (V{IL}) 之間的400mV滯回可消除噪聲引起的誤觸發(fā)。INP還包含一個(gè)內(nèi)部1MΩ下拉電阻到地，在啟動(dòng)和其他未知瞬態(tài)事件期間將TGDN拉至TS。在關(guān)機(jī)（ (V{RUN}<0.7V) ）時(shí)，內(nèi)部1MΩ下拉電阻禁用，INP變?yōu)楦咦杩埂?/p>

2. 輸出級(jí)設(shè)計(jì)

輸出級(jí)的下拉器件是一個(gè)典型 (R{DS(ON)}) 為1Ω的N溝道MOSFET，上拉器件是一個(gè)典型 (R{DS(ON)}) 為2.2Ω的P溝道MOSFET。上拉和下拉引腳分開(kāi)，可在保持快速關(guān)閉的同時(shí)控制開(kāi)啟瞬態(tài)。強(qiáng)大的輸出級(jí)可最小化驅(qū)動(dòng)外部MOSFET時(shí)的過(guò)渡損耗，并使MOSFET保持在INP命令的狀態(tài)，即使在高壓和高頻瞬態(tài)從功率MOSFET耦合回驅(qū)動(dòng)電路時(shí)也是如此。

3. (SNS^{+}) 和 (SNS^{-}) 引腳設(shè)計(jì)

(SNS^{+}) 和 (SNS^{-}) 是高側(cè)電流比較器和電流監(jiān)測(cè)器的輸入，其共模工作電壓范圍為3.5V至150V，獨(dú)立于其他電壓。 (SNS^{+}) 還為電流比較器和電流監(jiān)測(cè)器提供電源，當(dāng)未關(guān)機(jī)且INP為高電平時(shí)，吸取約21μA電流； (SNS^{-}) 在相同條件下吸取約4μA偏置電流。當(dāng) (SNS^{+}) 低于3.2V（典型值，最小值3.5V）時(shí)，發(fā)生故障條件，可調(diào)故障定時(shí)器啟用，其行為與過(guò)流故障相同。通常，SNS引腳連接到外部MOSFET的漏極側(cè)，但只要源電壓在故障定時(shí)器到期前升至3.5V以上，也可連接到源極側(cè)。在 (SNS^{-}) 引腳串聯(lián)一個(gè)濾波電阻 (R{FLT}) ， (R{FLT}) 應(yīng)至少比 (R_{SNS}) 大2000倍（最小值100Ω），以在短路事件中提供魯棒性。

4. ISET引腳設(shè)計(jì)（僅LTC7000）

電流比較器的閾值電壓 (Delta V_{TH}) 可在20mV至75mV之間調(diào)節(jié)，通過(guò)在ISET引腳連接一個(gè)到地的電阻來(lái)設(shè)置。ISET引腳由內(nèi)部10μA電流源偏置。懸空ISET可使電流比較器具有準(zhǔn)確的30mV閾值電壓，允許使用較低值的檢測(cè)電阻，減少外部功率損耗。通過(guò)在ISET和地之間連接40kΩ至150kΩ的電阻，可將檢測(cè)閾值電壓編程為20mV至75mV之間的值。

5. 故障定時(shí)器和故障標(biāo)志設(shè)計(jì)

LTC7000/LTC7000 - 1包含一個(gè)可調(diào)故障定時(shí)器，通過(guò)在TIMER引腳連接一個(gè)到地的電容來(lái)設(shè)置外部MOSFET在過(guò)流故障條件下關(guān)閉前的延遲時(shí)間，以及允許外部MOSFET重新開(kāi)啟前的冷卻時(shí)間。當(dāng)檢測(cè)到故障條件時(shí)，100μA電流對(duì)TIMER引腳充電。當(dāng)TIMER引腳電壓達(dá)到1.3V時(shí)，F(xiàn)AULT引腳拉低，指示檢測(cè)到故障條件并提供即將發(fā)生功率損耗的警告。當(dāng)TIMER電壓超過(guò)1.4V閾值時(shí)，TGDN立即拉至TS，關(guān)閉外部MOSFET。如果過(guò)流故障條件在TIMER達(dá)到1.4V之前消失，TIMER由2.5μA電流放電。如果TIMER已達(dá)到1.3V（FAULT已拉低）且過(guò)流故障條件消失，TIMER以2.5μA電流放電，當(dāng)TIMER達(dá)到0.4V時(shí)，F(xiàn)AULT將復(fù)位。

6. 冷卻周期和重啟設(shè)計(jì)

當(dāng)TIMER達(dá)到1.4V時(shí)，在過(guò)流故障條件下TGDN被拉至TS，TIMER引腳開(kāi)始以2.5μA電流放電。當(dāng)TIMER達(dá)到0.4V時(shí)，TIMER以2.5μA電流充電。當(dāng)TIMER達(dá)到1.4V時(shí)，再次以2.5μA電流放電。此模式重復(fù)32次，形成一個(gè)長(zhǎng)冷卻定時(shí)器周期（ (T_{COOL - DOWN}) ），然后重試。在冷卻周期結(jié)束時(shí)（當(dāng)TIMER第32次降至0.4V以下時(shí)），LTC7000/LTC7000 - 1重試，將TGUP拉至BST并開(kāi)啟外部MOSFET，F(xiàn)AULT引腳將進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)?？赏ㄟ^(guò)在TIMER電容上并聯(lián)一個(gè)100kΩ電阻來(lái)禁用自動(dòng)重試，此時(shí)過(guò)流故障關(guān)閉時(shí)間將增加7%，F(xiàn)AULT引腳將保持低電平，指示發(fā)生故障。要使LTC7000/LTC7000 - 1重試并清除故障標(biāo)志，INP信號(hào)需要先拉低再拉高。

7. 快速關(guān)閉模式設(shè)計(jì)

如果TIMER引腳連接到 (V{CC}) 或任何大于3.5V（絕對(duì)最大15V）的電源，過(guò)流事件將立即將TGDN拉至TS，LTC7000/LTC7000 - 1將保持在此狀態(tài)，直到INP信號(hào)先拉低再拉高。在快速關(guān)閉模式下，從 (Delta V{SNS}) 過(guò)流階躍到TG變低的典型延遲約為70ns，可檢測(cè)非常快速的短路事件。在快速關(guān)閉模式下，當(dāng)INP拉高的前150μs內(nèi)，LTC7000/LTC7000 - 1開(kāi)啟至約65%滿載。如果需要開(kāi)啟至100%滿載，可考慮使用LTC7000A/LTC7000A - 1。當(dāng)TIMER引腳連接到大于3.5V的電壓時(shí)，F(xiàn)AULT信號(hào)重新定義為高側(cè)上拉（ (V{TGUP}-V{TS}) ）的反狀態(tài)，可作為從高側(cè)MOSFET電平轉(zhuǎn)換下來(lái)的低電壓數(shù)字信息使用。

8. 高側(cè)電流監(jiān)測(cè)輸出設(shè)計(jì)（僅LTC7000）

LTC7000包含一個(gè)高側(cè)電流監(jiān)測(cè)輸出， (SNS^{+}) 和 (SNS^{-}) 引腳之間檢測(cè)到的高側(cè)差分電壓 (Delta V{SNS}) 乘以20后在IMON引腳以地為參考，適用于監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)MOSFET電流。IMON的工作范圍為0V至1.5V，對(duì)應(yīng) (Delta V{SNS}) 從0mV至75mV的變化。IMON引腳是一個(gè)電壓輸出，標(biāo)稱輸出阻抗為100kΩ，不應(yīng)進(jìn)行電阻性加載。電流監(jiān)測(cè)輸出僅在INP信號(hào)拉高150μs（典型值）后可用，否則IMON引腳被拉至地。如果需要IMON啟用時(shí)間小于1μs（典型值），可考慮使用LTC7000A/LTC7000A - 1。

9. RUN引腳和外部輸入過(guò)壓/欠壓鎖定設(shè)計(jì)（僅LTC7000）

RUN引腳有兩個(gè)不同的閾值電壓電平。將RUN拉低至0.7V以下，LTC7000進(jìn)入低靜態(tài)電流關(guān)機(jī)模式（ (I{Q} approx 1mu A) ）。當(dāng)RUN引腳電壓大于1.21V時(shí)，器件啟用。RUN和OVLO引腳可通過(guò)從 (V{IN}) 到地的電阻分壓器配置為 (V_{IN}) 電源的精確欠壓（UVLO）和過(guò)壓（OVLO）鎖定。當(dāng)RUN小于1.11V或OVLO大于1.21V時(shí)，TGDN將被拉至TS，外部MOSFET將關(guān)閉。OVLO引腳開(kāi)啟或關(guān)閉外部MOSFET的近似延遲時(shí)間為2.5μs，RUN引腳低于1.11V關(guān)閉外部MOSFET的近似延遲時(shí)間為3.5μs。在選擇電阻值時(shí)，應(yīng)注意通過(guò)R3 – R4 – R5分壓器的電流會(huì)直接增加LTC7000的關(guān)機(jī)、睡眠和工作電流，需盡量減小該電流對(duì)應(yīng)用電路總電流的影響。

10. 自舉電源（BST - TS）設(shè)計(jì)

連接在BST和TS之間的外部自舉電容 (C{B}) 為MOSFET驅(qū)動(dòng)器提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓。LTC7000/LTC7000 - 1通過(guò)內(nèi)部電荷泵保持BST - TS電源充電，允許占空比高達(dá)100%。當(dāng)高側(cè)外部MOSFET開(kāi)啟時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將 (C{B}) 電壓施加到MOSFET的柵源之間，增強(qiáng)高側(cè)MOSFET并使其開(kāi)啟。MOSFET的源極TS升至 (V{IN}) ，BST引腳跟隨。當(dāng)高側(cè)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，BST電壓高于輸入電源， (V{BST}=V{IN}+12V) 。自舉電容 (C{B}) 需要至少有10倍于完全開(kāi)啟外部MOSFET所需的電荷，通常對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用， (C{B}) 取值0.1μF即可滿足要求，但應(yīng)滿足 (C{B}>frac{External MOSFET Q_{G}}{1V}) 。

11. (V_{CC}) 生成設(shè)計(jì)

(V{CC}) 引腳為MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)部電路提供電源。LTC7000/LTC7000 - 1具有一個(gè)內(nèi)部P溝道低壓差穩(wěn)壓器（LDO），可從 (V{IN}) 電源引腳為 (V{CC}) 供電，也可從外部電源驅(qū)動(dòng) (V{CC}) 。如果使用內(nèi)部P溝道LDO為 (V{CC}) 供電，必須連接一個(gè)最小1.0μF的低ESR陶瓷電容以確保穩(wěn)定性，且 (V{CC}) 不應(yīng)連接到其他電路，除非可選地為L(zhǎng)TC7000/LTC7000 - 1的某些引腳（FAULT、INP或TIMER）提供偏置。內(nèi)部電荷泵為BST - TS電源充電時(shí)，向BST引腳輸出約30μA電流。如果使用內(nèi)部電荷泵從初始上電為外部自舉電容 (C{B}) 充電的時(shí)間不足以滿足應(yīng)用需求，應(yīng)在 (V{CC}) 和BST之間連接一個(gè)反向泄漏低的外部硅二極管D1。如果使用內(nèi)部P溝道LDO為 (V{CC}) 供電且在 (V{CC}) 和BST之間使用外部硅二極管，應(yīng)注意不要以過(guò)高的頻率切換外部MOSFET，以免使內(nèi)部LDO崩潰。對(duì)于更高柵極電荷的應(yīng)用，應(yīng)在 (V{CC}) 和BST之間使用外部硅二極管，并從高效外部電源驅(qū)動(dòng) (V{CC}) ，但 (V{CC}) 電壓不應(yīng)高于 (V{IN}) ，否則可能會(huì)損壞LTC7000/LTC7000 - 1。

12. (V_{CC}) 欠壓比較器設(shè)計(jì)

LTC7000/LTC7000 - 1包含一個(gè)