【图文讲解】汽车和工业应用中电设计问题如何破?

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目前的工业系统朝着电气化方向发展,且随着电压等级不断攀升、峰值电流增至几百安培,所以启用这些系统的时间也必需尽可能快,同时车载系统的性能也要不断提高。

而日益提升的可靠性促使制造商也减少了机械系统和增加固态系统,包括针对电源、负载和固态功率器件的保护电路……那么到底该怎么来解决汽车和工业应用中的电设计问题呢?

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救主来啦——高压侧驱动器解决方案

 

ADI 电源产品组的设计工程师 Mark Mullen 就上述问题为大家分享了一个基于 LCT7000 受保护的高压侧驱动器解决方案

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LTC7000是一款快速、高压侧 N 沟道 MOSFET 栅极驱动器,主要接收一个参考于地的低电压数字输入信号,并以 35ns 的传播延迟完全接通或关断一个其漏极可高出地电位达 135V 的高压侧 N 沟道 MOSFET。13ns的快速上升和下降时间 (当驱动一个 1000pF 负载) 最大限度降低了开关损耗。其内部充电泵全面强化一个外部 N 沟道 MOSFET 开关,因而使之能无限期地保持导通。

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它还有着强大1Ω 栅极驱动器,能够以非常短的转换时间驱动大栅极电容 MOSFET,这种过流跳变功能非常适合高频开关和静态开关应用。加上故障标记、欠压闭锁和过压闭锁等保护功能,可以发现它在工业和汽车市场中是非常有用的,例如静态开关驱动器、负载和电源开关驱动器及继电器替代产品。接下来我们就说说LTC7000的特点~

 

特点一、低延迟、速度快

LTC7000 在 INP 引脚上接收一个参考于地的低电压数字信号、把该信号电平移位至高达 VIN 电压。并控制片内低阻抗上拉和下拉器件,能快速接通或判断一个其漏极可高出地电位达 135V 的高压侧 N 沟道 MOSFET。从低电压 INP 信号至得到全面强化或被完全关断的 N 沟道 MOSFET 之传播延迟约为 35ns,这也促成了许多应用。

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特点二、功率低损耗,稳定性强

位于 BOOST 和 TS 引脚之间的浮动电源在内部调节至 12V,从而降低了由外部 MOSFET 之导通电阻引起的功率损耗。而强大的输出器件把外部 MOSFET 保持在由低电压 INP 信号控制的状态中,即使在高电压和高频瞬变从功率 MOSFET 反馈耦合至驱动电路的情况下也不例外。

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倘若应用电流跳变要求为 10A,则在检测电阻器中仅耗散 300mW (最大值)。如需增加灵活性,则可通过改变 ISET 引脚上的电压,从而有选择性地在 20mV 和 75mV 之间调节电流检测门限电压。

 

特点三、可调电流限制

ISET 引脚上的电压被除以 20 以设定为电流检测门限。ISET 引脚会流出一个 10µA 电流,因此只需在 ISET 引脚和地之间布设一个电阻器,这样就可以调节电流检测门限。如果 ISET 引脚浮置,则电流检测门限默认为 30mV。而如果 ISET 引脚接地,那么电流检测门限为 20mV。

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因为LTC7000 还具有一个 TIMER 引脚,因此过流情况不会立刻关断外部 MOSFET。在 TIMER 引脚和地之间连接一个电容器,它用于设定在外部 MOSFET 在过流故障情况下被关断之前的延迟周期,该关断延迟周期可设定在最短 1.4µs (如果 TIMER 引脚开路) 到几十或几百 ms (如果电容器为µF 级) 的范围内,布设在 TIMER 引脚上的同一个电容器还负责设定一个冷却周期。

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在经过该冷却周期之后,内部电路将自动尝试重新接通外部 MOSFET,该重试占空比约为 0.06%。所以应该选择合适的过流跳变点和 TIMER 电容器,以通过把 MOSFET 保持在 MOSFET 产品手册中规定的安全工作区内以保护外部 MOSFET。

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而如果一旦检测到过流故障情况,那就把一个漏极开路 FAULT 引脚拉至低电平。此 FAULT 引脚保持低电平,直到故障情况被清除为止,外部 MOSFET 将重新接通。

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把 LTC7000 配置为执行锁断而不是自动重试操作,可以通过增设一个与 TIMER 电容器并联的 100kΩ 电阻器来实现。针对过流故障的关断延迟仍将由 TIMER 电容器设定,但是 LTC7000 在过流故障之后不会自动尝试重新接通外部 MOSFET,外部 MOSFET 将也不会尝试重新接通,直到低电压 INP 信号循环至低电平并随后返回高电平为止。

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在该配置中,一旦检测到过流故障,漏极开路 FAULT 引脚将被拉至低电平,并将保持低电平,直到 INP 信号循环至低电平并随后返回高电平为止。

 

特点四、电流监视器输出

可通过测量IMON 引脚上的电压来监视流过高压侧检测电阻器的平均电流。当外部 MOSFET 导通时,出现在 IMON 引脚上的电压是检测电压,(VSNS+ – VSNS–) x 20。假设检测电阻器为 2mΩ,则 400mV 的 IMON 电压表示有 10A 电流流过检测电阻器。IMON 电压的平均时间大致为 1MΩ 乘以 IMON 引脚上的任何电容。例如,如果 IMON 引脚上的电容为 1nF,则 IMON 输出电压的平均时间大约为 1ms。

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特点五、可调输入欠压和过压闭锁

LTC7000 能够避免负载遭受 VIN 引脚上的过压和欠压情况的损坏。“一个连接在 VIN 和地之间、且抽头连接至 RUN 和 OVLO 引脚的简单电阻分压器将设定一个针对负载的有效操作窗口。当 VIN 位于由 RUN 和 OVLO 引脚所设定的操作窗口之外时,则关断外部 MOSFET,并保护负载免遭潜在损坏或发生故障。” Mark Mullen这样谈到。

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采用VCCUV引脚还可为VCC电源提供欠压闭锁保护。通过改变 VCCUV 引脚电压可在 3.5V 和10.5V 之间调节VCC欠压闭锁门限。从 VCCUV 引脚流出一个 10µA 电流,因此只需在VCCUV 引脚和地之间布设一个电阻器便可调节 VCC 欠压闭锁门限。如果VCCUV引脚浮置,则VCC欠压闭锁门限默认为 7V。假如 VCCUV 引脚接地,则VCC欠压闭锁电压设定为 3.5V。当 VCC 引脚上的电压低于 VCCUV引脚设定的欠压闭锁门限时,外部MOSFET被关断。

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由此可见,作为一款灵活和坚固的器件,可使汽车和工业制造商提高其系统的性能和可靠性。LTC7000 所具备的高达 135V 的电压范围、内置的保护功能、强大的驱动器、快速接通和关断时间能力,使得制造商能够开发出为客户增添附加值和可靠性的系统。因而它主要运用于静态开关驱动器、负载和电源开关驱动器、电子阀驱动器以及高频高压栅极驱动器。