LT8672：汽车应用中的高效有源整流控制器

在电子工程师的设计工作中，寻找高效、可靠且能满足特定应用需求的器件至关重要。今天，我们就来深入探讨一款名为 LT8672 的有源整流控制器，它在汽车应用中展现出了卓越的性能。

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一、LT8672 概述

LT8672 是一款专门用于反向输入保护的有源整流控制器，它通过驱动外部 N 沟道 MOSFET 来替代功率肖特基二极管，具有超低静态电流和快速瞬态响应的特点，非常适合存在高达 100kHz 交流输入信号的汽车应用。这种设计能够在外部 FET 上实现最小的功率损耗，从而简化 PCB 上的热管理。

1.1 主要特性

• 汽车应用认证：通过 AEC - Q100 认证，满足汽车应用的严格要求。
• 反向输入保护：可承受 - 40V 的反向输入电压，为系统提供可靠保护。
• 高效性能：相比肖特基二极管，功率损耗降低超过 90%，压降仅为 20mV，具有超快的瞬态响应。
• 宽工作电压范围：工作电压范围为 3V 至 42V，适应多种电源环境。
• 低静态电流：工作时静态电流低至 20μA，关机电流低至 3.5μA，有助于降低功耗。
• 精确的使能引脚阈值：使能引脚阈值为 1.21V，确保精确控制。
• 多种封装形式：提供 10 引脚 MSOP 封装、10 引脚 3mm×2mm DFN 封装和 3mm×2mm 可侧焊 DFN 封装，方便不同设计需求。

二、电气特性与参数

2.1 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。LT8672 的关键额定值如下：

• DRAIN 引脚：电压范围为 - 0.3V 至 42V。
• SOURCE、EN/UVLO 引脚：电压范围为 - 40V 至 42V。
• DRAIN - SOURCE：电压范围为 - 5V 至 54V。
• AUX 引脚：电压为 VDRAIN + 13V。
• GATE 引脚：电压范围为 VSOURCE - 0.3V 至 VSOURCE + 17V 以及 VAUX - 67V 至 VAUX + 0.3V。
• PG 引脚：电压范围为 - 0.3V 至 5V。

2.2 电气特性参数

在不同条件下，LT8672 的各项电气特性参数表现如下：	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
最小漏极电压	-	-	2.85	-	V
总系统静态电流	VEN/UVLO = 0V	-	3.5	5	μA
	VEN/UVLO = 2V，有源整流控制器正常工作	-	20	26	μA
EN/UVLO 引脚阈值高	引脚电压上升	1.22	1.28	1.34	V
EN/UVLO 引脚阈值低	引脚电压下降	1.16	1.21	1.26	V
EN/UVLO 引脚迟滞	-	-	70	-	mV
EN/UVLO 引脚电流	VEN/UVLO = 2V	- 0.1	-	0.1	μA
PG 引脚泄漏电流	VPG = 3.3V	- 0.1	-	0.1	μA
PG 下拉电阻	VPG = 0.1V	-	650	2000	Ω
辅助升压调节器调节电压 VAUX - VDRAIN	-	10.2	11	11.8	V
功率 NMOS 电流限制	-	75	100	120	mA
功率 NMOS 导通电阻	-	-	2	-	Ω
钳位二极管正向电压	IDIODE = 100mA	-	0.8	-	V
AUXSW 引脚泄漏电流	VAUXSW = 12V	- 0.2	-	0.2	μA
有源整流控制器源 - 漏极调节电压	-	10	20	25	mV
源 - 漏极快速上拉阈值	-	60	75	90	mV
漏极电流	栅极驱动器正常工作	-	12	-	μA
源极电流	栅极驱动器故障，VSOURCE = - 40V	-	5	- 1	μA/mA
最大栅极驱动（GATE - SOURCE）	-	10.2	11	11.8	V
栅极上拉电流	-	- 26	- 50	-	mA
栅极下拉电流	-	170	300	-	mA
反向源极栅极 - 源极关断电压	VSOURCE = - 5V，IGATE = 1mA	-	0.01	0.3	V
	VSOURCE = - 40V，IGATE = 1mA	-	0.01	0.3	V
栅极关断延迟时间	(VSOURCE - VDRAIN) 从 130mV 到 - 70mV，VGATE - VSOURCE < 1V，CGATE - SOURCE = 10nF	-	0.6	1.1	μs
栅极导通延迟时间	(VSOURCE - VDRAIN) 从 - 70mV 到 130mV，VGATE - VSOURCE > 5V，CGATE - SOURCE = 10nF	-	1.7	3.1	μs
可整流交流输入信号的最大频率	交流输入纹波 < 6VP - P，CGATE - SOURCE = 10nF	50	-	-	kHz
	交流输入纹波 < 2VP - P，CGATE - SOURCE = 10nF	100	-	-	kHz

三、工作原理

3.1 有源整流控制器

有源整流控制器通过控制外部 N 沟道 MOSFET（M1）形成理想二极管。GATE 放大器监测 DRAIN 和 SOURCE 之间的电压，并驱动 MOSFET 的栅极，将正向电压调节至 20mV。当负载电流增加时，GATE 电压升高，直到 MOSFET 完全导通；当负载电流减小时，GATE 电压降低，以保持 20mV 的压降。如果 VDRAIN 降低到无法维持 20mV 正向压降的程度，GATE 放大器将关闭 MOSFET。

在快速的源 - 漏极瞬变过程中，如快速变化的输入信号，调节 20mV 环路可能响应过慢，此时快速上拉（FPU）和快速下拉（FPD）电流路径会迅速打开和关闭外部 MOSFET，实现输入信号的整流，同时大幅降低功率损耗。

SOURCE 和 GATE 引脚能够承受高达 - 40V 的反向输入电压。当 SOURCE 为负时，GATE 被拉至 SOURCE，关闭 MOSFET，将 DRAIN 与负输入隔离。

3.2 辅助升压调节器

辅助升压调节器采用滞回控制方案，结合 100mA 的恒定低侧电流限制。当 AUX - DRAIN 电压低于标称值（通常为 11V）时，低侧功率开关导通，电感电流上升，直到达到 100mA 的电流限制，此时低侧开关关闭，电感向 CAUX 放电，直到电流降为零。然后，低侧开关再次导通，除非 AUX - DRAIN 电压已高于标称值，此时所有高功率电路将关闭以降低静态电流。这种控制方案的开关频率取决于电感值和 DRAIN 电压。

3.3 功率良好引脚（PG）

功率良好引脚 PG 是内部监测电路的开漏输出。当没有故障时，PG 呈现高阻抗，表示外部 MOSFET 正常工作。当满足以下任何条件时，PG 拉低：器件处于关机状态、启动时 AUX 电压未达到调节值或栅极驱动器的快速上拉路径激活时间超过 17μs。如果 PG 引脚用于控制输出负载，它可以保护 MOSFET 在这些情况下不被过载。

四、应用信息

4.1 有源整流控制器应用

在电源输入串联中，通常会使用阻塞二极管来防止电源反转。LT8672 用 MOSFET 替代了这些二极管，显著降低了电压降和功率损耗。与肖特基二极管相比，它在实际应用中能大幅减少功率损耗，节省电路板面积。在低输入电压下，其正向电压损耗的改善尤为明显。

LT8672 工作电压范围为 3V 至 42V，能承受 - 40V 至 42V 的绝对最大电压范围而不损坏。在汽车应用中，它能够应对负载突降、冷启动和双电池跳跃等情况，同时保护负载免受反向电池连接的影响。此外，由于其对外部 MOSFET 正向电压变化的快速响应，它能够整流高达 6VP - P、频率达 50kHz 的输入纹波，对于 2VP - P 的输入纹波，整流频率可达 100kHz。

4.2 关机模式/欠压锁定

在关机模式下，LT8672 将 GATE 拉低至 SOURCE，关闭 MOSFET，将电流消耗降低至 3.5μA。关机不会中断正向电流流动，因为 MOSFET 的体二极管仍然存在电流路径。当启用时，LT8672 作为有源整流器工作。如果不需要关机功能，可将 EN/UVLO 连接到 DRAIN。EN/UVLO 可以由 3.3V 或 5V 逻辑信号驱动，要禁用器件，需将 EN/UVLO 拉低至 1.21V 以下。

4.3 输入短路故障和负瞬变

对于快速负输入瞬变，LT8672 依靠快速下拉（FPD）比较器。但由于 FPD 阈值为负，在 FPD 关闭之前，外部 MOSFET 中会建立反向电流。这种过程类似于二极管的反向恢复，但原因和时间不同。由于 SOURCE 前端存在寄生电感或有意的 EMI 滤波器电感，反向电流会在该电感中存储能量。当外部 MOSFET 最终关闭时，该能量会使 SOURCE 节点变为负。为防止 LT8672 损坏，可使用两个 TVS 二极管将 SOURCE 引脚钳位到地。

4.4 快速输入纹波整流

LT8672 专门设计用于满足电池连接的汽车电子控制单元（ECU）的挑战性规格。例如，根据汽车规范 ISO16750 或 LV124，ECU 可能会受到频率高达 30kHz、振幅高达 6VP - P 的交流纹波的影响。由于其栅极驱动器的高输出电流和短延迟时间，LT8672 能够在这些频率下快速控制外部 MOSFET，将功率损耗和反向电流传导降至最低，同时显著减少输出电容中的纹波电流。

4.5 MOSFET 选择

所有负载电流都通过外部 MOSFET（M1），因此 MOSFET 的选择至关重要。重要特性包括导通电阻 (R{DS(ON)})、最大漏 - 源电压 (B{VDSS})、栅极阈值电压 (V{GS(TH)}) 和总栅极电荷 (Q{GTOT})。

栅极驱动与标准阈值和逻辑电平 MOSFET 在 3V 至 42V 的整个工作范围内兼容。对于逻辑电平 MOSFET，(V{GS(MAX)}) 应不低于 ±15V。最大允许漏 - 源电压 (B{VDSS}) 必须高于电源电压。MOSFET 的导通电阻 (R{DS(ON)}) 直接影响正向电压降和功率损耗，应选择 (R{DS(ON)} < frac{Forward Voltage Drop}{I{LOAD}}) 的 MOSFET，以降低功率损耗。为实现快速栅极驱动操作，应选择总栅极电荷 (Q{GTOT}) 最小且满足 (B{VDSS}) 和 (R{DS(ON)}) 要求的 MOSFET。

4.6 电解电容器和纹波电压

在整流过程中，电解电容器 (C{LOAD}) 可降低负载所看到的纹波电压。纹波电压 (V{R}) 取决于 (C{LOAD})、纹波频率、纹波振幅和负载电流，可通过公式 (V{R}=frac{4V{AC} cdot I{LOAD}}{4V{AC} cdot f cdot C{LOAD}+I{LOAD}}) 计算。为限制给定频率下的 (V{R})，可根据公式 (C{LOAD}=frac{4V{AC}-V{R}}{4V{AC} cdot V{R} cdot f} cdot I{LOAD}) 计算所需的最小电容值。

4.7 汽车冷启动

在汽车冷启动过程中，电池电压可能降至 3.2V。传统的使用肖特基二极管等无源整流器的反向保护方案会产生较高的电压降，要求供电电路在低至 2.5V 的最小输入电压下工作。而 LT8672 的最小输入工作电压为 3V，允许有源整流器在冷启动脉冲期间以最小的输入 - 输出压降工作，从而可以使用具有 3V 最小工作电压和低压降特性的降压调节器（如 LT8650S）来生成 3V 电源。

4.8 辅助升压调节器

辅助升压调节器为栅极驱动器提供升压电压，以至少 10V 的栅极驱动充分增强外部 MOSFET。推荐的升压调节器外部无源组件包括 1μF/16V 陶瓷电容器和 47μH 至 100μH 的电感器。电感器的饱和电流应至少为 120mA，ESR 不应超过 10Ω。

升压调节器在 AUX 引脚可提供的最大输出电流可通过公式 (I{AUX(MAX)} = 50 cdot frac{V{DRAIN}-1}{V{DRAIN}+11.8}) 近似计算，最大开关频率可通过公式 (f{AUXSW(MAX)}=frac{1180 cdot (V{DRAIN}-0.2)}{(V{DRAIN}+11.6) cdot (10L{AUX}+3V{DRAIN}-0.6)}) 近似计算。根据栅极驱动器周期性开关外部 MOSFET 所需的总平均电流，升压调节器可能会进入不连续模式，此时开关频率可通过公式 (f{AUXSW}=frac{2.9 cdot I{AUX}}{L_{AUX}}) 计算。

4.9 功率良好引脚

功率良好引脚 PG 用于检测系统故障。当外部 MOSFET 能够以源 - 漏极之间小于 75mV 的电压通过全部负载电流时，PG 变为高电平。如果 LT8672 被启用，启动时 AUX 电压达到调节值，且栅极驱动器的快速上拉路径激活时间不超过 17μs，PG 才会变为高电平。通过监测 PG 引脚，可以检测到多种系统故障，如外部 MOSFET 栅极短路到地或源极、AUX 电压不足等。

4.10 布局考虑

在 PCB 布局时，应将 SOURCE 和 DRAIN 引脚尽可能靠近 MOSFET 的源极和漏极引脚，保持连接到 MOSFET 的走线宽而短，以最小化电阻损耗。将浪涌抑制器和必要的瞬态保护组件靠近 LT8672 放置，并使用短引线长度。保持 GATE 走线与其他节点之间的距离大于最小距离，以防止泄漏导致 MOSFET 导通。仅允许 SOURCE 和 DRAIN 走线与 GATE 走线相邻。使用免清洗助焊剂以最小化 PCB 污染。

五、典型应用与相关部件

5.1 典型应用

LT8672 适用于多种 12V 汽车应用，如带有 EMI 滤波器的有源整流器、高负载应用等。

5.2 相关部件

部件编号	描述	备注
LT3667/LT3668	40V（60V MAX），400mA 降压开关调节器，带有双故障保护 LDO	4.3V IN(MIN)，40V IN(MAX)（60V MAX），0.8V OUT(MIN)，IQ = 50μA，ISD < 1μA，MSOP - 16E 和 3mm×5mm QFN - 24 封装
LTC4359	具有反向输入保护的理想二极管控制器	4V IN(MIN)，80V IN(MAX)， - 40V OUT(MIN) 反向保护，IQ = 150μA，ISD < 9μA，MSOP - 8 和 2mm×3mm DFN -