LT8672：高性能有源整流控制器的技術(shù)剖析

在電子設(shè)備的電源管理中，整流器控制器扮演著至關(guān)重要的角色。今天給大家介紹一款出色的有源整流控制器——LT8672，它專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)，在性能、效率和可靠性方面都有卓越表現(xiàn)。

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產(chǎn)品概述

LT8672是一款具備反向輸入保護(hù)功能的有源整流控制器，通過驅(qū)動(dòng)外部N溝道MOSFET來替代功率肖特基二極管。它具有極低的靜態(tài)電流和快速的瞬態(tài)響應(yīng)，能滿足存在高達(dá)100kHz交流輸入信號(hào)的汽車應(yīng)用的嚴(yán)格要求。在外部FET上實(shí)現(xiàn)最小的功率損耗進(jìn)行整流，簡化了PCB的熱管理。

產(chǎn)品特性

• AEC - Q100認(rèn)證：滿足汽車應(yīng)用的嚴(yán)格要求，具備高可靠性和穩(wěn)定性。
• 反向輸入保護(hù)：能承受高達(dá) - 40V的反向輸入電壓，有效保護(hù)電路。
• 性能提升：相較于肖特基二極管，功率損耗降低超過90%，壓降降至20mV，擁有超快的瞬態(tài)響應(yīng)。
• 寬工作電壓范圍：工作電壓范圍為3V至42V，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 低靜態(tài)電流：工作時(shí)靜態(tài)電流低至20μA，關(guān)機(jī)電流僅3.5μA，節(jié)能效果顯著。
• 精確的使能引腳閾值：使能引腳閾值為1.21V，確保精確控制。
• 多種封裝形式：提供10引腳MSOP、10引腳3mm × 2mm DFN和3mm × 2mm可側(cè)焊DFN封裝，方便不同應(yīng)用場景的設(shè)計(jì)。

工作原理

有源整流控制器

有源整流控制器控制外部N溝道MOSFET形成理想二極管。GATE放大器監(jiān)測DRAIN和SOURCE兩端的電壓，驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極，將正向電壓調(diào)節(jié)至20mV。當(dāng)負(fù)載電流增加，GATE電壓升高使MOSFET完全導(dǎo)通；負(fù)載電流減小時(shí)，GATE電壓降低以維持20mV的壓降。若VDRAIN電壓降低到無法維持20mV壓降時(shí)，MOSFET關(guān)閉。

在快速SOURCE - DRAIN瞬變時(shí)，快速上拉（FPU）和快速下拉（FPD）電流路徑可快速開關(guān)外部MOSFET，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的整流，且功率損耗遠(yuǎn)低于二極管。同時(shí)，SOURCE和GATE引腳可承受 - 40V的反向輸入電壓，當(dāng)SOURCE為負(fù)時(shí)，GATE被拉至SOURCE，關(guān)閉MOSFET，隔離DRAIN與負(fù)輸入。

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和100mA的恒定低端電流限制。當(dāng)AUX - DRAIN電壓低于標(biāo)稱值（通常為11V）時(shí)，低端功率開關(guān)導(dǎo)通，電感電流上升，達(dá)到100mA時(shí)開關(guān)關(guān)閉，電感向CAUX放電，直至電流降為零。若AUX - DRAIN電壓高于標(biāo)稱值，所有高功率電路關(guān)閉以降低靜態(tài)電流。這種控制方案的開關(guān)頻率取決于電感值和DRAIN電壓。

電源良好引腳（PG）

PG為開漏輸出，無故障時(shí)呈高阻抗，表示外部MOSFET正常工作。當(dāng)滿足以下條件時(shí)，PG拉低：器件處于關(guān)機(jī)狀態(tài)、啟動(dòng)時(shí)AUX電壓未達(dá)到調(diào)節(jié)值、柵極驅(qū)動(dòng)器的快速上拉路徑激活超過17μs。若用PG控制輸出負(fù)載，可保護(hù)MOSFET免受過載。

應(yīng)用信息

替代肖特基二極管

在傳統(tǒng)電源輸入中，常用阻塞二極管防止電源反接。LT8672用MOSFET替代二極管，降低了電壓降和功率損耗。從功率損耗和正向電壓降的對(duì)比曲線可以看出，MOSFET在這些方面有顯著優(yōu)勢(shì)，能節(jié)省電路板面積。

工作范圍與性能

LT8672工作電壓范圍為3V至42V，能承受 - 40V至42V的絕對(duì)最大電壓范圍。在汽車應(yīng)用中，可應(yīng)對(duì)負(fù)載突降、冷啟動(dòng)和雙電池跳躍等情況，還能在反接電池時(shí)保護(hù)負(fù)載。其快速響應(yīng)能力可對(duì)高達(dá)6VP - P、頻率達(dá)50kHz的輸入紋波進(jìn)行整流，2Vp - p、頻率達(dá)100kHz的輸入紋波也能整流，有效防止外部MOSFET過熱。

關(guān)機(jī)模式/欠壓鎖定

關(guān)機(jī)時(shí)，LT8672將GATE拉低至SOURCE，關(guān)閉MOSFET，電流消耗降至3.5μA，但MOSFET的體二極管仍可導(dǎo)通正向電流。使能時(shí)，LT8672作為有源整流器工作。若不需要關(guān)機(jī)功能，可將EN/UVLO連接到DRAIN。通過在SOURCE和EN/UVLO之間添加電阻分壓器，可實(shí)現(xiàn)可編程欠壓鎖定。

輸入短路故障和負(fù)瞬變保護(hù)

對(duì)于快速負(fù)輸入瞬變，LT8672依靠快速下拉（FPD）比較器。但由于FPD閾值為負(fù)，外部MOSFET在FPD關(guān)閉前會(huì)積累反向電流，可能導(dǎo)致SOURCE節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)瞬變。為防止損壞，可使用兩個(gè)TVS二極管將SOURCE引腳鉗位到地。同時(shí)，D1可在負(fù)載階躍和過壓情況下保護(hù)SOURCE，D3可在特定情況下保護(hù)外部MOSFET。

快速輸入紋波整流

LT8672專為滿足汽車電子控制單元（ECU）的嚴(yán)格要求而設(shè)計(jì)。根據(jù)汽車規(guī)范，ECU的電源可能會(huì)疊加高達(dá)30kHz、振幅達(dá)6VP - P的交流紋波。由于其柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電流大、延遲時(shí)間短，能快速控制外部MOSFET，將功率損耗和反向電流傳導(dǎo)降至最低，同時(shí)顯著降低輸出電容中的紋波電流。

MOSFET選擇

選擇MOSFET時(shí)，需考慮導(dǎo)通電阻RDS(ON)、最大漏源電壓BVDSS、柵極閾值電壓VGS(TH)和總柵極電荷QG TOT。柵極驅(qū)動(dòng)與標(biāo)準(zhǔn)閾值和邏輯電平MOSFET在3V至42V的整個(gè)工作范圍內(nèi)兼容。BVDSS必須高于電源電壓，RDS(ON)應(yīng)盡可能小以降低功率損耗，同時(shí)選擇總柵極電荷QG TOT小的MOSFET以實(shí)現(xiàn)快速柵極驅(qū)動(dòng)。

電解電容器和紋波電壓

在整流過程中，電解電容器CLOAD可降低負(fù)載端的紋波電壓。紋波電壓VR與CLOAD、紋波頻率、紋波振幅和負(fù)載電流有關(guān)，可通過公式計(jì)算。選擇電解電容器時(shí)，需考慮高頻下的高峰值電流。

汽車?yán)鋯?dòng)

在汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)，電池電壓可能降至3.2V。傳統(tǒng)反向保護(hù)方案使用肖特基二極管時(shí)，由于電壓降高，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。而LT8672的最小輸入工作電壓為3V，可在冷啟動(dòng)脈沖期間以最小的輸入輸出壓降工作，允許使用具有3V最小工作電壓和低壓降特性的降壓調(diào)節(jié)器。

輔助升壓調(diào)節(jié)器

輔助升壓調(diào)節(jié)器為柵極驅(qū)動(dòng)器提供升壓電壓，使外部MOSFET充分導(dǎo)通。推薦的外部無源組件包括1μF/16V陶瓷電容器和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。可通過相關(guān)公式近似計(jì)算輔助升壓調(diào)節(jié)器的最大輸出電流和最大開關(guān)頻率。在輸入紋波整流時(shí)，根據(jù)紋波頻率和MOSFET的總柵極電荷可計(jì)算平均AUX電流。

電源良好引腳應(yīng)用

PG引腳可檢測多種系統(tǒng)故障，如外部MOSFET柵極短路到地或源極、AUX電壓不足等。若用PG控制外部MOSFET的負(fù)載電流，可防止其體二極管長時(shí)間導(dǎo)通大電流，減少發(fā)熱。推薦選擇足夠大的MOSFET，使最大負(fù)載電流下的正向電壓不超過75mV。

布局考慮

在PCB布局時(shí)，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。將浪涌抑制器和瞬態(tài)保護(hù)組件靠近LT8672放置，使用短引腳長度。GATE走線與其他節(jié)點(diǎn)保持足夠距離，防止漏電導(dǎo)致MOSFET導(dǎo)通。只有SOURCE和DRAIN走線可與GATE走線并行。使用免清洗助焊劑以減少PCB污染。同時(shí)，應(yīng)盡量減小CAUX和COUT形成的環(huán)路面積。

典型應(yīng)用

文檔中給出了多種典型應(yīng)用電路，包括12V汽車應(yīng)用的有源整流、帶EMI濾波器的12V汽車應(yīng)用有源整流、高負(fù)載的12V汽車應(yīng)用有源整流等。這些應(yīng)用電路展示了LT8672在不同場景下的具體使用方法和所需的外部組件。

總結(jié)

LT8672作為一款高性能的有源整流控制器，在汽車應(yīng)用及其他相關(guān)領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。其低功耗、快速響應(yīng)、寬工作電壓范圍等特性，使其成為替代傳統(tǒng)肖特基二極管的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用場景，合理選擇外部MOSFET、電解電容器等組件，并注意PCB布局，以充分發(fā)揮LT8672的性能。大家在使用過程中，是否也遇到過類似的電源管理問題呢？歡迎交流分享。