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

在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，推挽和全橋轉(zhuǎn)換器是實現(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，會因二極管正向壓降帶來較大損耗，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)計的二次側(cè)同步整流驅(qū)動器，為解決這一問題提供了有效的方案。

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產(chǎn)品特性

驅(qū)動能力與同步性能

LTC3901是一款N溝道同步MOSFET驅(qū)動器，能夠驅(qū)動兩個外部N溝道MOSFET，并通過接受變壓器產(chǎn)生的雙極性輸入信號，與初級側(cè)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(xiàn)快速的開關(guān)動作，有助于提高轉(zhuǎn)換效率。

保護功能

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

  其他特性

• 寬(V_{CC})電源范圍（4.5V至11V），增強了電源適應(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(guān)。
• 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(qū)動器關(guān)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(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)動器輸出特性

• 上拉和下拉電阻：驅(qū)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(dá)2A。

  開關(guān)特性

• 同步輸入到驅(qū)動器輸出延遲：在(C{ME}=C{MF}=4700pF)，(V_{SYNC}=±5V)條件下為60ns至120ns。
• 驅(qū)動器上升/下降時間：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通過與初級側(cè)控制器協(xié)同工作，實現(xiàn)對二次側(cè)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(chǎn)生正電壓，ME輸出拉低，電流通過MOSFET MF、T1的次級和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MOSFET ME、T1的次級和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)換器的每個完整周期也包括四個不同階段，分別對應(yīng)不同的MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，實現(xiàn)對負(fù)載的功率傳輸和續(xù)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(wǎng)絡(luò)來編程超時時間。在SYNC輸入的每個轉(zhuǎn)換時刻，芯片會產(chǎn)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(dāng)定時器電容電壓達(dá)到超時閾值時，會關(guān)閉兩個驅(qū)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(guān)。為減少超時設(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

LTC3901包含順序邏輯來監(jiān)測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，順序邏輯會關(guān)閉兩個驅(qū)動器，直到出現(xiàn)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(guān)閉相應(yīng)的MOSFET。該比較器僅在相應(yīng)驅(qū)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(fù)載條件下，若電感平均電流小于其峰 - 峰紋波電流的一半，電感電流可能會在續(xù)流階段反向流入MOSFET。為防止比較器誤觸發(fā)，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(fù)載時工作在連續(xù)模式。

MOSFET選擇與PCB布局

MOSFET選擇

選擇MOSFET時，應(yīng)根據(jù)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(dǎo)通，因此體二極管必須能夠承受啟動期間的負(fù)載電流，直到(V{CC})達(dá)到4.1V。此外，LTC3901驅(qū)動器在MOSFET開關(guān)時會消耗功率，功率損耗與開關(guān)頻率、(PVCC)和MOSFET的尺寸有關(guān)，可通過公式(P{DRIVER}=Q{G} cdot PV{CC} cdot f{SW})計算。

PCB布局

在進(jìn)行PCB布局時，應(yīng)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(yīng)盡可能靠近。
• 使定時器、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作為一款功能強大的二次側(cè)同步整流驅(qū)動器，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，保護外部MOSFET，適用于多種電源應(yīng)用場景。在實際設(shè)計中，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，以達(dá)到最佳的性能表現(xiàn)。你在使用類似驅(qū)動器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。