LTC7000/LTC7000 - 1：高性能高側(cè)NMOS靜態(tài)開關(guān)驅(qū)動器的深度解析

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

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一、產(chǎn)品概述

LTC7000/LTC7000 - 1是一款能夠在高達135V輸入電壓下工作的快速高側(cè)N溝道MOSFET柵極驅(qū)動器。它內(nèi)置的電荷泵可完全增強外部N溝道MOSFET開關(guān)，使其能夠持續(xù)導通。強大的驅(qū)動器能夠以極短的轉(zhuǎn)換時間輕松驅(qū)動大柵極電容，非常適合高頻開關(guān)應(yīng)用或需要快速開啟和/或關(guān)閉時間的靜態(tài)開關(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（絕對最大150V），能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。
2. 快速開關(guān)特性：具有1Ω下拉和2.2Ω上拉電阻，傳播延遲僅35ns，可實現(xiàn)快速開啟和關(guān)閉，有效減少開關(guān)損耗。
3. 內(nèi)部電荷泵：支持100%占空比，降低外部MOSFET導通電阻帶來的功率損耗。
4. 短路保護：LTC7000具備可調(diào)節(jié)的電流跳閘閾值，能在短路時及時保護電路。
5. 電流監(jiān)測輸出：LTC7000提供電流監(jiān)測輸出，方便工程師實時監(jiān)測電路電流。
6. 自動重啟定時器：在故障排除后，可自動嘗試重啟，提高系統(tǒng)的可靠性。
7. 開漏故障標志：能及時反饋故障信息，便于工程師快速定位問題。
8. 可調(diào)節(jié)參數(shù)：可調(diào)節(jié)開啟壓擺率、(V{IN}) 欠壓和過壓鎖定、驅(qū)動器電源 (V{CC}) 欠壓鎖定等參數(shù)，滿足不同的設(shè)計需求。
9. 低功耗：關(guān)機電流僅1μA，有效降低系統(tǒng)功耗。
10. 封裝與兼容性：采用熱增強型16引腳MSOP封裝，具備AEC - Q100汽車應(yīng)用認證，且輸入與CMOS兼容。

三、應(yīng)用場景

1. 靜態(tài)開關(guān)驅(qū)動器：可用于負載和電源開關(guān)驅(qū)動，實現(xiàn)對電路的高效控制。
2. 電子閥驅(qū)動器：在電子閥控制中，能夠快速準確地驅(qū)動閥門開關(guān)。
3. 高頻高側(cè)柵極驅(qū)動器：滿足高頻開關(guān)應(yīng)用的需求，適用于各種高頻電路設(shè)計。

四、工作原理與關(guān)鍵特性詳解

1. 過流保護

LTC7000/LTC7000 - 1通過監(jiān)測外部MOSFET漏極串聯(lián)的檢測電阻兩端的電壓，當電壓超過電流比較器閾值電壓 (Delta V{TH}) 時，經(jīng)過由定時電容 (C{T}) 設(shè)置的一段時間后，將TGDN拉至TS，使外部MOSFET關(guān)閉。當ISET懸空時，(Delta V{TH}) 內(nèi)部編程為30mV，可使用較低值的檢測電阻，減少電流檢測帶來的外部傳導損耗。通過在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（僅LTC7000）

LTC7000的IMON引腳提供一個參考地的輸出電壓，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INP為低電平時，IMON引腳通過100kΩ電阻拉至地。

3. (V_{CC}) 電源

MOSFET驅(qū)動器和內(nèi)部電路的電源來自 (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。對于高頻開關(guān)應(yīng)用，也可從外部高效電源對 (V{CC}) 進行過驅(qū)動，但 (V{CC}) 電壓不應(yīng)高于 (V_{IN}) ，否則可能會損壞器件。

4. 內(nèi)部電荷泵

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

5. 啟動與關(guān)機

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

6. 保護電路

• 過溫保護：當結(jié)溫達到約180°C時，進入熱關(guān)機模式，TGDN被拉至TS。當器件冷卻至160°C以下時，TGDN可再次拉高。
• 電壓范圍保護：當 (V{IN}) 、 (V{CC}) 或 ((V{BST}-V{TS})) 不在正常工作范圍內(nèi)時，禁止TGUP拉至BST。通過使用從 (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壓/欠壓鎖定。當RUN低于1.11V或OVLO高于1.21V時，TGDN被拉至TS。此外，當 (V{IN}) 低于3.5V時，內(nèi)部欠壓檢測器將TGDN拉至TS。
• (V_{CC}) 欠壓鎖定： (V{CC}) 包含欠壓鎖定功能，可通過 (V{CCUV}) 引腳進行配置。當 (V{CCUV}) 懸空時，TGDN被拉至TS，直到 (V{CC}) 大于7.0V。通過使用從 (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BST到TS的浮動電壓低于3.1V（典型值）時，內(nèi)部欠壓鎖定將TGDN拉至TS。

五、應(yīng)用設(shè)計要點

1. 輸入級設(shè)計

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)字信號驅(qū)動標準功率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還包含一個內(nèi)部1MΩ下拉電阻到地，在啟動和其他未知瞬態(tài)事件期間將TGDN拉至TS。在關(guān)機（ (V{RUN}<0.7V) ）時，內(nèi)部1MΩ下拉電阻禁用，INP變?yōu)楦咦杩埂?/p>

2. 輸出級設(shè)計

輸出級的下拉器件是一個典型 (R{DS(ON)}) 為1Ω的N溝道MOSFET，上拉器件是一個典型 (R{DS(ON)}) 為2.2Ω的P溝道MOSFET。上拉和下拉引腳分開，可在保持快速關(guān)閉的同時控制開啟瞬態(tài)。強大的輸出級可最小化驅(qū)動外部MOSFET時的過渡損耗，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)動電路時也是如此。

3. (SNS^{+}) 和 (SNS^{-}) 引腳設(shè)計

(SNS^{+}) 和 (SNS^{-}) 是高側(cè)電流比較器和電流監(jiān)測器的輸入，其共模工作電壓范圍為3.5V至150V，獨立于其他電壓。 (SNS^{+}) 還為電流比較器和電流監(jiān)測器提供電源，當未關(guān)機且INP為高電平時，吸取約21μA電流； (SNS^{-}) 在相同條件下吸取約4μA偏置電流。當 (SNS^{+}) 低于3.2V（典型值，最小值3.5V）時，發(fā)生故障條件，可調(diào)故障定時器啟用，其行為與過流故障相同。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（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)，通過在ISET引腳連接一個到地的電阻來設(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確的30mV閾值電壓，允許使用較低值的檢測電阻，減少外部功率損耗。通過在ISET和地之間連接40kΩ至150kΩ的電阻，可將檢測閾值電壓編程為20mV至75mV之間的值。

5. 故障定時器和故障標志設(shè)計

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

6. 冷卻周期和重啟設(shè)計

當TIMER達到1.4V時，在過流故障條件下TGDN被拉至TS，TIMER引腳開始以2.5μA電流放電。當TIMER達到0.4V時，TIMER以2.5μA電流充電。當TIMER達到1.4V時，再次以2.5μA電流放電。此模式重復32次，形成一個長冷卻定時器周期（ (T_{COOL - DOWN}) ），然后重試。在冷卻周期結(jié)束時（當TIMER第32次降至0.4V以下時），LTC7000/LTC7000 - 1重試，將TGUP拉至BST并開啟外部MOSFET，F(xiàn)AULT引腳將進入高阻抗狀態(tài)?？赏ㄟ^在TIMER電容上并聯(lián)一個100kΩ電阻來禁用自動重試，此時過流故障關(guān)閉時間將增加7%，F(xiàn)AULT引腳將保持低電平，指示發(fā)生故障。要使LTC7000/LTC7000 - 1重試并清除故障標志，INP信號需要先拉低再拉高。

7. 快速關(guān)閉模式設(shè)計

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

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

LTC7000包含一個高側(cè)電流監(jiān)測輸出， (SNS^{+}) 和 (SNS^{-}) 引腳之間檢測到的高側(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)測和調(diào)節(jié)MOSFET電流。IMON的工作范圍為0V至1.5V，對應(yīng) (Delta V{SNS}) 從0mV至75mV的變化。IMON引腳是一個電壓輸出，標稱輸出阻抗為100kΩ，不應(yīng)進行電阻性加載。電流監(jiān)測輸出僅在INP信號拉高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引腳和外部輸入過壓/欠壓鎖定設(shè)計（僅LTC7000）

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

10. 自舉電源（BST - TS）設(shè)計

連接在BST和TS之間的外部自舉電容 (C{B}) 為MOSFET驅(qū)動器提供柵極驅(qū)動電壓。LTC7000/LTC7000 - 1通過內(nèi)部電荷泵保持BST - TS電源充電，允許占空比高達100%。當高側(cè)外部MOSFET開啟時，驅(qū)動器將 (C{B}) 電壓施加到MOSFET的柵源之間，增強高側(cè)MOSFET并使其開啟。MOSFET的源極TS升至 (V{IN}) ，BST引腳跟隨。當高側(cè)MOSFET導通時，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倍于完全開啟外部MOSFET所需的電荷，通常對于大多數(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

(V{CC}) 引腳為MOSFET柵極驅(qū)動器和內(nèi)部電路提供電源。LTC7000/LTC7000 - 1具有一個內(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 (V{CC}) 。如果使用內(nèi)部P溝道LDO為 (V{CC}) 供電，必須連接一個最小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LTC7000/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，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}) 充電的時間不足以滿足應(yīng)用需求，應(yīng)在 (V{CC}) 和BST之間連接一個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)注意不要以過高的頻率切換外部MOSFET，以免使內(nèi)部LDO崩潰。對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 (V{CC}) ，但 (V{CC}) 電壓不應(yīng)高于 (V{IN}) ，否則可能會損壞LTC7000/LTC7000 - 1。

12. (V_{CC}) 欠壓比較器設(shè)計

LTC7000/LTC7000 - 1包含一個