LTC3901：隔離式推挽和全橋轉換器的二次側同步驅動解決方案

在電源轉換領域，推挽和全橋轉換器是實現輸入 - 輸出隔離以及電壓升降的常用拓撲結構。而在二次側整流環節，傳統的二極管整流方案隨著輸出電流的增加，會因二極管正向壓降帶來較大損耗，導致整體效率降低。LTC3901作為一款專為隔離式推挽和全橋轉換器電源設計的二次側同步整流驅動器，為解決這一問題提供了有效的方案。

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產品特性

驅動能力與同步性能

LTC3901是一款N溝道同步MOSFET驅動器，能夠驅動兩個外部N溝道MOSFET，并通過接受變壓器產生的雙極性輸入信號，與初級側控制器保持同步。其具有15ns的上升/下降時間（在(V{CC}=5V)，(C{L}=4700pF)條件下），可實現快速的開關動作，有助于提高轉換效率。

保護功能

• 可編程超時功能：當同步信號缺失或不正確時，該功能會禁用兩個驅動器，防止MOSFET在異常情況下持續導通。
• 反向電感電流檢測：通過檢測兩個MOSFET的漏源電阻來感應輸出電感電流，若電感電流反向，會及時關斷MOSFET，避免損壞。
• 欠壓鎖定：當電源電壓過低時，會關閉驅動器，保護電路安全。
• 門極驅動變壓器同步序列監測：確保同步信號的正確性，若同步序列錯誤，會關閉驅動器。

  其他特性

• 寬(V_{CC})電源范圍（4.5V至11V），增強了電源適應性。
• 采用小型16引腳SSOP封裝，節省電路板空間。

應用領域

LTC3901適用于多種電源應用場景，包括48V輸入隔離式DC/DC轉換器、隔離式電信電源、分布式電源降壓轉換器、工業控制系統電源以及汽車和重型設備等。

電氣特性

電源相關特性

• 電源電壓范圍：(V_{CC})的工作范圍為4.5V至11V，確保了在不同電源條件下的穩定工作。
• 欠壓鎖定閾值：上升沿閾值為4.1V，具有0.5V的滯后，可防止電壓波動時的誤動作。
• 電源電流：在不同條件下，(V_{CC})的電源電流有所不同，正常工作時主要受外部MOSFET柵極充放電電流影響。

  定時器特性

• 定時器閾值電壓：與(V_{CC})成一定比例，確保超時時間與電源電壓無關。
• 定時器輸入電流：在(V_{TMR}=0V)時為 - 6μA至 - 10μA。
• 定時器放電時間：在(C{TMR}=1000pF)，(R{TMR}=4.7k)條件下為40ns至120ns。

  電流檢測特性

• 輸入電流：(CS+)和(CS-)的輸入電流在(V_{CS}=0V)時為±1μA。
• 鉗位電壓：(CS+)引腳的鉗位電壓在(I_{IN}=5mA)，驅動器關閉時為11V。
• 電流檢測閾值電壓：為7.5mV至13.5mV，具有一定的溫度系數，以匹配外部MOSFET的特性。

  同步輸入特性

• 輸入電流：在(V_{SYNC}=±10V)時為±1μA至±10μA。
• 正負閾值及滯后：正閾值為1.0V至1.8V，負閾值為 - 1.8V至 - 1.0V，均具有0.2V的滯后。

  驅動器輸出特性

• 上拉和下拉電阻：驅動器的上拉電阻在(I{OUT}=-100mA)時為0.9Ω至1.6Ω，下拉電阻在(I{OUT}=100mA)時為0.8Ω至1.6Ω。
• 峰值輸出電流：可達2A。

  開關特性

• 同步輸入到驅動器輸出延遲：在(C{ME}=C{MF}=4700pF)，(V_{SYNC}=±5V)條件下為60ns至120ns。
• 驅動器上升/下降時間：為15ns。

典型應用電路

推挽轉換器應用

在推挽轉換器應用中，LTC3901通過與初級側控制器協同工作，實現對二次側同步MOSFET的控制。其工作過程包括四個不同階段：

• 第一階段：SDRA變低，T2在LTC3901的SYNC輸入產生正電壓，ME輸出拉低，電流通過MOSFET MF、T1的次級和L1流向負載。
• 第二階段：SDRA變高，SYNC輸入約為0V，ME輸出變高，MOSFET ME和MF均導通，處于續流階段，T1次級繞組短路。
• 第三階段：SDRB變低，T2在SYNC輸入產生負電壓，MF輸出拉低，電流通過MOSFET ME、T1的次級和L1流向負載。
• 第四階段：與第二階段類似，為續流階段，SDRA和SDRB均為高，LTC3901使MOSFET ME和MF導通。

  全橋轉換器應用

  LTC3901同樣適用于全橋轉換器，其電路和工作原理與推挽應用類似。全橋轉換器的每個完整周期也包括四個不同階段，分別對應不同的MOSFET導通和關斷狀態，實現對負載的功率傳輸和續流。

外部MOSFET保護

可編程定時器

定時器電路通過外部R - C充電網絡來編程超時時間。在SYNC輸入的每個轉換時刻，芯片會產生一個200ns的脈沖來重置定時器電容。若SYNC信號缺失或不正確，當定時器電容電壓達到超時閾值時，會關閉兩個驅動器。超時時間主要由外部(R{TMR})和(C{TMR})的值決定，且與(V{CC})電壓無關。為減少超時設置誤差，應選擇(C{TMR})在100pF至1000pF之間，并將其盡可能靠近LTC3901放置。

同步序列監測

LTC3901包含順序邏輯來監測SYNC輸入脈沖。正常情況下，推挽轉換器周期中ME和MF應交替關閉，SYNC輸入應在正脈沖和負脈沖之間交替。若出現連續的正脈沖或負脈沖，順序邏輯會關閉兩個驅動器，直到出現相反極性的脈沖，以保護外部組件。

電流檢測

差分輸入電流檢測比較器用于檢測MOSFET漏源兩端的電壓。若電感電流反向流入MOSFET，使(CSX+)比(CSX)高出10.5mV以上，LTC3901會關閉相應的MOSFET。該比較器僅在相應驅動器輸出變高250ns后才激活，以避免MOSFET開啟時的振鈴干擾。在輕載或無負載條件下，若電感平均電流小于其峰 - 峰紋波電流的一半，電感電流可能會在續流階段反向流入MOSFET。為防止比較器誤觸發，可通過在(CSX+)引腳添加電阻分壓器來提高10.5mV的閾值，使LTC3901在無負載時工作在連續模式。

MOSFET選擇與PCB布局

MOSFET選擇

選擇MOSFET時，應根據允許的功率損耗和最大所需輸出電流來確定所需的(R{DS(ON)})。在電源啟動階段，MOSFET的體二極管會導通，因此體二極管必須能夠承受啟動期間的負載電流，直到(V{CC})達到4.1V。此外，LTC3901驅動器在MOSFET開關時會消耗功率，功率損耗與開關頻率、(PVCC)和MOSFET的尺寸有關，可通過公式(P{DRIVER}=Q{G} cdot PV{CC} cdot f{SW})計算。

PCB布局

在進行PCB布局時，應遵循以下檢查清單，以確保LTC3901的正常運行：

• 將1μF的(C_{VCC})旁路電容盡可能靠近(VCC)和GND引腳連接，將4.7μF的(CPVCC)旁路電容盡可能靠近(PVCC)和PGND引腳連接。
• 將兩個MOSFET的漏極端直接連接到變壓器，兩個MOSFET的源極應盡可能靠近。
• 使定時器、SYNC和(V_{CC})調節器電路遠離ME、MF和T1的高電流路徑。
• 將定時器電容(C_{TMR})盡可能靠近LTC3901放置。
• 使電阻(R{CSX1})、(R{CSX2})和(R_{CSX3})到LTC3901 (CSX+/CSX)引腳的PCB走線盡可能短，并將電阻的另一端直接連接到MOSFET的漏極和源極。
• 在LTC3901引腳處直接連接GND和PGND。

總結

LTC3901作為一款功能強大的二次側同步整流驅動器，為隔離式推挽和全橋轉換器提供了高效、可靠的解決方案。其豐富的保護功能和良好的電氣特性，能夠有效提高電源轉換效率，保護外部MOSFET，適用于多種電源應用場景。在實際設計中，合理選擇MOSFET和進行PCB布局是確保LTC3901性能發揮的關鍵。各位工程師在使用過程中，不妨根據具體應用需求，靈活調整參數和電路設計，以達到最佳的性能表現。你在使用類似驅動器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。