LTC3901：隔离式推挽和全桥转换器的二次侧同步驱动解决方案

在电源转换领域，推挽和全桥转换器是实现输入 - 输出隔离以及电压升降的常用拓扑结构。而在二次侧整流环节，传统的二极管整流方案随着输出电流的增加，会因二极管正向压降带来较大损耗，导致整体效率降低。LTC3901作为一款专为隔离式推挽和全桥转换器电源设计的二次侧同步整流驱动器，为解决这一问题提供了有效的方案。

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产品特性

驱动能力与同步性能

LTC3901是一款N沟道同步MOSFET驱动器，能够驱动两个外部N沟道MOSFET，并通过接受变压器产生的双极性输入信号，与初级侧控制器保持同步。其具有15ns的上升/下降时间（在(V{CC}=5V)，(C{L}=4700pF)条件下），可实现快速的开关动作，有助于提高转换效率。

保护功能

• 可编程超时功能：当同步信号缺失或不正确时，该功能会禁用两个驱动器，防止MOSFET在异常情况下持续导通。
• 反向电感电流检测：通过检测两个MOSFET的漏源电阻来感应输出电感电流，若电感电流反向，会及时关断MOSFET，避免损坏。
• 欠压锁定：当电源电压过低时，会关闭驱动器，保护电路安全。
• 门极驱动变压器同步序列监测：确保同步信号的正确性，若同步序列错误，会关闭驱动器。

  其他特性

• 宽(V_{CC})电源范围（4.5V至11V），增强了电源适应性。
• 采用小型16引脚SSOP封装，节省电路板空间。

应用领域

LTC3901适用于多种电源应用场景，包括48V输入隔离式DC/DC转换器、隔离式电信电源、分布式电源降压转换器、工业控制系统电源以及汽车和重型设备等。

电气特性

电源相关特性

• 电源电压范围：(V_{CC})的工作范围为4.5V至11V，确保了在不同电源条件下的稳定工作。
• 欠压锁定阈值：上升沿阈值为4.1V，具有0.5V的滞后，可防止电压波动时的误动作。
• 电源电流：在不同条件下，(V_{CC})的电源电流有所不同，正常工作时主要受外部MOSFET栅极充放电电流影响。

  定时器特性

• 定时器阈值电压：与(V_{CC})成一定比例，确保超时时间与电源电压无关。
• 定时器输入电流：在(V_{TMR}=0V)时为 - 6µA至 - 10µA。
• 定时器放电时间：在(C{TMR}=1000pF)，(R{TMR}=4.7k)条件下为40ns至120ns。

  电流检测特性

• 输入电流：(CS+)和(CS-)的输入电流在(V_{CS}=0V)时为±1µA。
• 钳位电压：(CS+)引脚的钳位电压在(I_{IN}=5mA)，驱动器关闭时为11V。
• 电流检测阈值电压：为7.5mV至13.5mV，具有一定的温度系数，以匹配外部MOSFET的特性。

  同步输入特性

• 输入电流：在(V_{SYNC}=±10V)时为±1µA至±10µA。
• 正负阈值及滞后：正阈值为1.0V至1.8V，负阈值为 - 1.8V至 - 1.0V，均具有0.2V的滞后。

  驱动器输出特性

• 上拉和下拉电阻：驱动器的上拉电阻在(I{OUT}=-100mA)时为0.9Ω至1.6Ω，下拉电阻在(I{OUT}=100mA)时为0.8Ω至1.6Ω。
• 峰值输出电流：可达2A。

  开关特性

• 同步输入到驱动器输出延迟：在(C{ME}=C{MF}=4700pF)，(V_{SYNC}=±5V)条件下为60ns至120ns。
• 驱动器上升/下降时间：为15ns。

典型应用电路

推挽转换器应用

在推挽转换器应用中，LTC3901通过与初级侧控制器协同工作，实现对二次侧同步MOSFET的控制。其工作过程包括四个不同阶段：

• 第一阶段：SDRA变低，T2在LTC3901的SYNC输入产生正电压，ME输出拉低，电流通过MOSFET MF、T1的次级和L1流向负载。
• 第二阶段：SDRA变高，SYNC输入约为0V，ME输出变高，MOSFET ME和MF均导通，处于续流阶段，T1次级绕组短路。
• 第三阶段：SDRB变低，T2在SYNC输入产生负电压，MF输出拉低，电流通过MOSFET ME、T1的次级和L1流向负载。
• 第四阶段：与第二阶段类似，为续流阶段，SDRA和SDRB均为高，LTC3901使MOSFET ME和MF导通。

  全桥转换器应用

  LTC3901同样适用于全桥转换器，其电路和工作原理与推挽应用类似。全桥转换器的每个完整周期也包括四个不同阶段，分别对应不同的MOSFET导通和关断状态，实现对负载的功率传输和续流。

外部MOSFET保护

可编程定时器

定时器电路通过外部R - C充电网络来编程超时时间。在SYNC输入的每个转换时刻，芯片会产生一个200ns的脉冲来重置定时器电容。若SYNC信号缺失或不正确，当定时器电容电压达到超时阈值时，会关闭两个驱动器。超时时间主要由外部(R{TMR})和(C{TMR})的值决定，且与(V{CC})电压无关。为减少超时设置误差，应选择(C{TMR})在100pF至1000pF之间，并将其尽可能靠近LTC3901放置。

同步序列监测

LTC3901包含顺序逻辑来监测SYNC输入脉冲。正常情况下，推挽转换器周期中ME和MF应交替关闭，SYNC输入应在正脉冲和负脉冲之间交替。若出现连续的正脉冲或负脉冲，顺序逻辑会关闭两个驱动器，直到出现相反极性的脉冲，以保护外部组件。

电流检测

差分输入电流检测比较器用于检测MOSFET漏源两端的电压。若电感电流反向流入MOSFET，使(CSX+)比(CSX)高出10.5mV以上，LTC3901会关闭相应的MOSFET。该比较器仅在相应驱动器输出变高250ns后才激活，以避免MOSFET开启时的振铃干扰。在轻载或无负载条件下，若电感平均电流小于其峰 - 峰纹波电流的一半，电感电流可能会在续流阶段反向流入MOSFET。为防止比较器误触发，可通过在(CSX+)引脚添加电阻分压器来提高10.5mV的阈值，使LTC3901在无负载时工作在连续模式。

MOSFET选择与PCB布局

MOSFET选择

选择MOSFET时，应根据允许的功率损耗和最大所需输出电流来确定所需的(R{DS(ON)})。在电源启动阶段，MOSFET的体二极管会导通，因此体二极管必须能够承受启动期间的负载电流，直到(V{CC})达到4.1V。此外，LTC3901驱动器在MOSFET开关时会消耗功率，功率损耗与开关频率、(PVCC)和MOSFET的尺寸有关，可通过公式(P{DRIVER}=Q{G} cdot PV{CC} cdot f{SW})计算。

PCB布局

在进行PCB布局时，应遵循以下检查清单，以确保LTC3901的正常运行：

• 将1µF的(C_{VCC})旁路电容尽可能靠近(VCC)和GND引脚连接，将4.7µF的(CPVCC)旁路电容尽可能靠近(PVCC)和PGND引脚连接。
• 将两个MOSFET的漏极端直接连接到变压器，两个MOSFET的源极应尽可能靠近。
• 使定时器、SYNC和(V_{CC})调节器电路远离ME、MF和T1的高电流路径。
• 将定时器电容(C_{TMR})尽可能靠近LTC3901放置。
• 使电阻(R{CSX1})、(R{CSX2})和(R_{CSX3})到LTC3901 (CSX+/CSX)引脚的PCB走线尽可能短，并将电阻的另一端直接连接到MOSFET的漏极和源极。
• 在LTC3901引脚处直接连接GND和PGND。

总结

LTC3901作为一款功能强大的二次侧同步整流驱动器，为隔离式推挽和全桥转换器提供了高效、可靠的解决方案。其丰富的保护功能和良好的电气特性，能够有效提高电源转换效率，保护外部MOSFET，适用于多种电源应用场景。在实际设计中，合理选择MOSFET和进行PCB布局是确保LTC3901性能发挥的关键。各位工程师在使用过程中，不妨根据具体应用需求，灵活调整参数和电路设计，以达到最佳的性能表现。你在使用类似驱动器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。