LTC3901：隔離式推挽和全橋轉(zhuǎn)換器的二次側(cè)同步驅(qū)動(dòng)解決方案

在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，推挽和全橋轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)輸入 - 輸出隔離以及電壓升降的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而在二次側(cè)整流環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的二極管整流方案隨著輸出電流的增加，會(huì)因二極管正向壓降帶來(lái)較大損耗，導(dǎo)致整體效率降低。LTC3901作為一款專為隔離式推挽和全橋轉(zhuǎn)換器電源設(shè)計(jì)的二次側(cè)同步整流驅(qū)動(dòng)器，為解決這一問(wèn)題提供了有效的方案。

文件下載：LTC3901.pdf

產(chǎn)品特性

驅(qū)動(dòng)能力與同步性能

LTC3901是一款N溝道同步MOSFET驅(qū)動(dòng)器，能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)外部N溝道MOSFET，并通過(guò)接受變壓器產(chǎn)生的雙極性輸入信號(hào)，與初級(jí)側(cè)控制器保持同步。其具有15ns的上升/下降時(shí)間（在(V{CC}=5V)，(C{L}=4700pF)條件下），可實(shí)現(xiàn)快速的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，有助于提高轉(zhuǎn)換效率。

保護(hù)功能

• 可編程超時(shí)功能：當(dāng)同步信號(hào)缺失或不正確時(shí)，該功能會(huì)禁用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，防止MOSFET在異常情況下持續(xù)導(dǎo)通。
• 反向電感電流檢測(cè)：通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)MOSFET的漏源電阻來(lái)感應(yīng)輸出電感電流，若電感電流反向，會(huì)及時(shí)關(guān)斷MOSFET，避免損壞。
• 欠壓鎖定：當(dāng)電源電壓過(guò)低時(shí)，會(huì)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器，保護(hù)電路安全。
• 門極驅(qū)動(dòng)變壓器同步序列監(jiān)測(cè)：確保同步信號(hào)的正確性，若同步序列錯(cuò)誤，會(huì)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器。

  其他特性

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

應(yīng)用領(lǐng)域

LTC3901適用于多種電源應(yīng)用場(chǎng)景，包括48V輸入隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器、隔離式電信電源、分布式電源降壓轉(zhuǎn)換器、工業(yè)控制系統(tǒng)電源以及汽車和重型設(shè)備等。

電氣特性

電源相關(guān)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(wěn)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(dòng)時(shí)的誤動(dòng)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(shí)主要受外部MOSFET柵極充放電電流影響。

  定時(shí)器特性

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

  電流檢測(cè)特性

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

  同步輸入特性

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

  驅(qū)動(dòng)器輸出特性

• 上拉和下拉電阻：驅(qū)動(dòng)器的上拉電阻在(I{OUT}=-100mA)時(shí)為0.9Ω至1.6Ω，下拉電阻在(I{OUT}=100mA)時(shí)為0.8Ω至1.6Ω。
• 峰值輸出電流：可達(dá)2A。

  開(kāi)關(guān)特性

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

典型應(yīng)用電路

推挽轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

在推挽轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，LTC3901通過(guò)與初級(jí)側(cè)控制器協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)二次側(cè)同步MOSFET的控制。其工作過(guò)程包括四個(gè)不同階段：

• 第一階段：SDRA變低，T2在LTC3901的SYNC輸入產(chǎn)生正電壓，ME輸出拉低，電流通過(guò)MOSFET MF、T1的次級(jí)和L1流向負(fù)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(dǎo)通，處于續(xù)流階段，T1次級(jí)繞組短路。
• 第三階段：SDRB變低，T2在SYNC輸入產(chǎn)生負(fù)電壓，MF輸出拉低，電流通過(guò)MOSFET ME、T1的次級(jí)和L1流向負(fù)載。
• 第四階段：與第二階段類似，為續(xù)流階段，SDRA和SDRB均為高，LTC3901使MOSFET ME和MF導(dǎo)通。

  全橋轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

  LTC3901同樣適用于全橋轉(zhuǎn)換器，其電路和工作原理與推挽應(yīng)用類似。全橋轉(zhuǎn)換器的每個(gè)完整周期也包括四個(gè)不同階段，分別對(duì)應(yīng)不同的MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的功率傳輸和續(xù)流。

外部MOSFET保護(hù)

可編程定時(shí)器

定時(shí)器電路通過(guò)外部R - C充電網(wǎng)絡(luò)來(lái)編程超時(shí)時(shí)間。在SYNC輸入的每個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)刻，芯片會(huì)產(chǎn)生一個(gè)200ns的脈沖來(lái)重置定時(shí)器電容。若SYNC信號(hào)缺失或不正確，當(dāng)定時(shí)器電容電壓達(dá)到超時(shí)閾值時(shí)，會(huì)關(guān)閉兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器。超時(shí)時(shí)間主要由外部(R{TMR})和(C{TMR})的值決定，且與(V{CC})電壓無(wú)關(guān)。為減少超時(shí)設(shè)置誤差，應(yīng)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(jiān)測(cè)

LTC3901包含順序邏輯來(lái)監(jiān)測(cè)SYNC輸入脈沖。正常情況下，推挽轉(zhuǎn)換器周期中ME和MF應(yīng)交替關(guān)閉，SYNC輸入應(yīng)在正脈沖和負(fù)脈沖之間交替。若出現(xiàn)連續(xù)的正脈沖或負(fù)脈沖，順序邏輯會(huì)關(guān)閉兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，直到出現(xiàn)相反極性的脈沖，以保護(hù)外部組件。

電流檢測(cè)

差分輸入電流檢測(cè)比較器用于檢測(cè)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(huì)關(guān)閉相應(yīng)的MOSFET。該比較器僅在相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器輸出變高250ns后才激活，以避免MOSFET開(kāi)啟時(shí)的振鈴干擾。在輕載或無(wú)負(fù)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(huì)在續(xù)流階段反向流入MOSFET。為防止比較器誤觸發(fā)，可通過(guò)在(CSX+)引腳添加電阻分壓器來(lái)提高10.5mV的閾值，使LTC3901在無(wú)負(fù)載時(shí)工作在連續(xù)模式。

MOSFET選擇與PCB布局

MOSFET選擇

選擇MOSFET時(shí)，應(yīng)根據(jù)允許的功率損耗和最大所需輸出電流來(lái)確定所需的(R{DS(ON)})。在電源啟動(dòng)階段，MOSFET的體二極管會(huì)導(dǎo)通，因此體二極管必須能夠承受啟動(dòng)期間的負(fù)載電流，直到(V{CC})達(dá)到4.1V。此外，LTC3901驅(qū)動(dòng)器在MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)消耗功率，功率損耗與開(kāi)關(guān)頻率、(PVCC)和MOSFET的尺寸有關(guān)，可通過(guò)公式(P{DRIVER}=Q{G} cdot PV{CC} cdot f{SW})計(jì)算。

PCB布局

在進(jìn)行PCB布局時(shí)，應(yīng)遵循以下檢查清單，以確保LTC3901的正常運(yùn)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(gè)MOSFET的漏極端直接連接到變壓器，兩個(gè)MOSFET的源極應(yīng)盡可能靠近。
• 使定時(shí)器、SYNC和(V_{CC})調(diào)節(jié)器電路遠(yuǎn)離ME、MF和T1的高電流路徑。
• 將定時(shí)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(jié)

LTC3901作為一款功能強(qiáng)大的二次側(cè)同步整流驅(qū)動(dòng)器，為隔離式推挽和全橋轉(zhuǎn)換器提供了高效、可靠的解決方案。其豐富的保護(hù)功能和良好的電氣特性，能夠有效提高電源轉(zhuǎn)換效率，保護(hù)外部MOSFET，適用于多種電源應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，合理選擇MOSFET和進(jìn)行PCB布局是確保LTC3901性能發(fā)揮的關(guān)鍵。各位工程師在使用過(guò)程中，不妨根據(jù)具體應(yīng)用需求，靈活調(diào)整參數(shù)和電路設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的性能表現(xiàn)。你在使用類似驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。