LT1910：高性能保護型高端MOSFET驅動器的深度解析

在電子工程師的日常工作中，尋找合適的MOSFET驅動器來滿足各種復雜應用需求是一項重要任務。今天，我們就來深入探討一下Linear Technology公司的LT1910，一款專為高端開關應用設計的高性能保護型高端MOSFET驅動器。

文件下載：LT1910.pdf

LT1910概述

LT1910是一款能夠讓低成本N溝道功率MOSFET在高端開關應用中發(fā)揮出色性能的高端柵極驅動器。它內置了一個完全自給自足的電荷泵，無需外部組件就能充分增強N溝道MOSFET開關。其應用場景廣泛，涵蓋了工業(yè)控制、航空電子系統(tǒng)、汽車開關、步進電機和直流電機控制以及電子斷路器等領域。那么，它究竟具備哪些獨特的特性，能在這些領域中嶄露頭角呢？

特性亮點

• 寬電源電壓范圍：支持8V至48V的電源電壓范圍，并且能夠承受 -15V至60V的電源瞬變，這使得它在電源波動較大的環(huán)境中也能穩(wěn)定工作，大大增強了其適用性。
• 多重保護機制：具有短路保護功能，當內部漏極比較器檢測到開關電流超過預設水平時，開關會自動關閉，并發(fā)出故障標志信號。同時具備自動重啟定時器，在故障排除后能夠自動嘗試重啟，確保系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行。
• 可編程功能：可編程的電流限制、延遲時間和自動重啟周期，讓工程師可以根據(jù)具體應用需求進行靈活調整，提高了設計的靈活性。
• 其他特性：采用開集電極故障標志輸出，方便與其他電路進行邏輯接口；能夠充分增強N溝道MOSFET開關；具備電壓限制的柵極驅動，保護MOSFET免受過高電壓的損壞；默認輸入開路時處于關閉狀態(tài)，增強了系統(tǒng)的安全性；采用SO - 8封裝，體積小巧，便于PCB布局。

技術參數(shù)解析

絕對最大額定值

在設計時，必須嚴格遵循這些參數(shù)，以確保器件的安全和可靠性。例如，V + 引腳的電壓范圍為 - 15V至60V，GATE引腳的電壓最大值為75V等。如果超出這些額定值，可能會導致器件永久性損壞。

電氣特性

在不同的工作條件下，LT1910的各項參數(shù)表現(xiàn)不同。例如，在關斷狀態(tài)下，當V + = 48V，VIN = 0.8V時，電源電流IS為1.2 - 2.5mA；在導通狀態(tài)下，輸入高電壓VINH在E級和I級的參數(shù)分別為2V和3.5V等。這些參數(shù)對于工程師在設計電路時進行精確計算和選型非常關鍵。

典型性能特性

通過一系列圖表展示的典型性能特性，如電源電流與電源電壓、溫度的關系，輸入電壓與溫度的關系等，能夠讓工程師直觀地了解器件在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，從而更好地優(yōu)化電路設計。

引腳功能詳解

GND（引腳1）

作為公共接地引腳，為整個電路提供穩(wěn)定的參考電位，是電路正常工作的基礎。

TIMER（引腳2）

通過連接到地的定時電容CT來設置過流檢測后的重啟時間。當檢測到過流情況時，CT會迅速放電至小于1V，然后由一個標稱電流源以14μA的電流將其重新充電至2.9V的定時器閾值，此時嘗試重啟。只要TIMER引腳電壓低于2.9V，GATE引腳就會拉低以關閉外部開關，直到過流情況消除，開關成功重啟。在正常工作時，該引腳標稱鉗位在3.5V。想象一下，當電路中出現(xiàn)短暫的過流情況時，這個引腳就像一個智能的守護者，自動控制著開關的重啟，確保電路的安全。

FAULT（引腳3）

用于監(jiān)控TIMER引腳電壓，指示過流情況。當TIMER引腳在電流限制條件開始時被拉低至3.3V以下，F(xiàn)AULT引腳會拉低變?yōu)橛行顟B(tài)。在自動重啟期間，當TIMER引腳電壓上升超過3.4V時，F(xiàn)AULT引腳會立即復位為高電平。它是一個開集電極輸出，需要外部上拉電阻，以便與邏輯接口相連。這個引腳就像是電路的“報警器”，及時告知工程師電路中是否出現(xiàn)了過流故障。

IN（引腳4）

輸入引腳閾值與TTL/CMOS兼容，具有約200mV的滯后。當該引腳被拉高至2V以上時，內部電荷泵會被激活，將GATE引腳拉高。即使電源開啟或關閉，該引腳都可以被拉高至15V。如果該引腳懸空，內部的75k下拉電阻會將其拉低至0.8V以下，確保GATE引腳處于低電平不工作狀態(tài)。它就像電路的“開關鑰匙”，控制著整個驅動器的開啟和關閉。

GATE（引腳5）

用于驅動功率MOSFET柵極。當IN引腳電壓大于2V時，GATE引腳會被泵升至高于電源約12V的電壓。在被泵升至高于電源時，它具有相對較高的阻抗（相當于幾百kΩ），因此需要注意盡量減少因寄生電阻到地或電源而產(chǎn)生的負載。當TIMER引腳電壓低于2.9V時，GATE引腳會被拉低。它是直接控制MOSFET導通和關斷的關鍵引腳。

SENSE（引腳6）

連接到一個以電源為參考的比較器輸入，具有65mV的標稱偏移。當該引腳電壓比電源低超過65mV時，MOSFET柵極會被驅動為低電平，同時定時電容會放電。該引腳閾值具有0.33%/°C的溫度系數(shù)，與PCB銅跡線形成的漏極檢測電阻的溫度系數(shù)相匹配。對于需要高浪涌電流的負載，可以在漏極檢測電阻和該引腳之間添加RC定時延遲，以防止啟動時電流檢測比較器誤觸發(fā)。如果不需要電流檢測，該引腳應連接到電源。它就像電路的“偵察兵”，時刻監(jiān)測著電流的變化。

V +（引腳8）

除了為LT1910提供工作電流外，還作為電流檢測比較器的Kelvin連接點。為了確保正確的電流檢測操作，該引腳必須連接到漏極檢測電阻的正極。它是整個驅動器的“能量之源”。

工作原理剖析

LT1910的GATE引腳有兩種狀態(tài)：關斷和導通。在關斷狀態(tài)下，GATE引腳保持低電平；在導通狀態(tài)下，通過一個自給自足的750kHz電荷泵將其泵升至高于電源12V的電壓。關斷狀態(tài)的激活條件是IN引腳電壓低于0.8V或TIMER引腳電壓低于2.9V；而導通狀態(tài)的激活條件是IN引腳電壓高于2V且TIMER引腳電壓高于2.9V。

IN引腳具有約200mV的滯后，如果懸空，會被75k電阻拉低。正常情況下，TIMER引腳由一個14μA的上拉電流源保持在比2.9V高一個二極管壓降的電壓，因此如果IN引腳電壓高于2V，TIMER引腳會自動使GATE引腳進入導通狀態(tài)。

SENSE引腳通常連接到功率MOSFET的漏極，通過一個低值漏極檢測電阻返回電源。為了讓檢測比較器準確檢測MOSFET漏極電流，V + 引腳必須直接連接到漏極檢測電阻的正極。當GATE引腳導通且MOSFET漏極電流超過在漏極檢測電阻上產(chǎn)生65mV壓降所需的電流水平時，檢測比較器會激活一個下拉NPN晶體管，迅速將TIMER引腳電壓拉低至2.9V以下，從而使定時器比較器覆蓋IN引腳的狀態(tài)，將GATE引腳設置為關斷狀態(tài)，保護功率MOSFET。當TIMER引腳電壓被拉低至3.3V以下時，故障比較器會激活開集電極NPN晶體管，將FAULT引腳拉低，指示過流情況。

當MOSFET柵極電壓放電至小于1.4V時，TIMER引腳會被釋放，14μA的電流源會緩慢將定時電容充電至2.9V，此時電荷泵會再次啟動，驅動GATE引腳為高電平。如果故障仍然存在，檢測比較器閾值會再次被超過，定時器周期會重復，直到故障消除。當TIMER引腳成功充電至超過3.4V時，F(xiàn)AULT引腳會變?yōu)榉羌せ畹母唠娖健?/p>

應用注意事項

輸入/電源排序

LT1910對輸入/電源排序沒有要求。即使電源電壓為0V，IN引腳也可以被拉高至15V。當電源接通且IN引腳設置為高電平時，MOSFET的導通會被抑制，直到定時電容充電至2.9V（即一個重啟周期）。

輸入隔離

在惡劣環(huán)境中工作時，可能需要進行隔離以防止接地瞬變損壞控制邏輯。LT1910可以很方便地與低成本光耦合器接口。通過合理設計網(wǎng)絡，可以確保輸入電壓被拉高至2V以上，但不會超過電源電壓在12V至48V范圍內的絕對最大額定值。同時，光耦合器在高溫時的暗電流（泄漏電流）必須小于20μA，以保持關斷狀態(tài)。

漏極檢測配置

LT1910采用以電源為參考的電流檢測方式。電流檢測比較器的一個輸入連接到漏極檢測引腳，另一個輸入在器件內部偏移至比電源低65mV。因此，LT1910的引腳8不僅要作為電源引腳，還要作為電流檢測比較器的參考輸入。在選擇漏極檢測電阻RS時，應根據(jù)最小閾值電壓進行計算，即RS = 50mV/ISET。這種簡單的配置適用于在啟動時不會產(chǎn)生大電流瞬變的電阻性或電感性負載。

自動重啟周期

定時電容CT決定了在電流限制跳閘后功率MOSFET保持關斷的時間長度。通過典型性能特性曲線可以查看不同CT值對應的重啟周期。例如，當CT = 0.33μF時，重啟周期為50ms。

取消自動重啟

對于一些在故障發(fā)生后需要保持關閉狀態(tài)的應用，當LT1910由CMOS邏輯驅動時，可以通過在IN和TIMER引腳之間連接電阻R2來實現(xiàn)。R2為內部SCR提供維持電流，在故障條件下將TIMER引腳鎖定為低電平。當TIMER引腳電壓低于3.3V時，F(xiàn)AULT引腳會被設置為低電平，從而防止MOSFET柵極導通，直到IN引腳重新觸發(fā)。CT用于防止在現(xiàn)有故障條件下IN引腳重新觸發(fā)以導通MOSFET時FAULT引腳出現(xiàn)毛刺。

感性和容性負載

• 感性負載：開啟感性負載時，MOSFET電流會產(chǎn)生相對平緩的上升斜坡。但關閉感性負載時，電感中儲存的電流需要有釋放途徑。通常會在每個感性負載兩端直接連接一個鉗位二極管來實現(xiàn)這一目的。如果沒有使用二極管，LT1910會將MOSFET柵極鉗位至比地低0.7V，這會導致MOSFET在電流衰減期間恢復導通，在其兩端產(chǎn)生(V + + VGS + 0.7V)的電壓，從而產(chǎn)生高功耗峰值。
• 容性負載：容性負載的行為與感性負載相反。任何包含去耦電容的負載在電容充電時會產(chǎn)生等于CLOAD ? (?V/?t)的電流。對于大電解電容，產(chǎn)生的電流尖峰可能會對電源造成干擾，并使電流檢測比較器誤觸發(fā)?？梢酝ㄟ^添加簡單的網(wǎng)絡來控制開啟時的?V/?t，利用MOSFET在開啟時作為源極跟隨器的特性，通過控制柵極的?V/?t來控制源極的?V/?t。在關閉容性負載時，如果負載電阻不能及時將CLOAD放電，MOSFET的源極可能會“掛起”。此時，可以在柵極和源極之間添加一個15V齊納二極管，以防止VGS(MAX)超過額定值。同時，RD和CD可以延遲過流跳閘，對于高達約10 ? ISET的漏極電流，二極管會導通并提供立即關閉功能。為了確保定時器的正常運行，CD必須小于等于CT。

  添加電流限制延遲

  在切換容性負載或在非常嘈雜的環(huán)境中，希望在漏極電流檢測路徑中添加延遲，以防止誤觸發(fā)?？梢酝ㄟ^圖5所示的電流限制延遲網(wǎng)絡來實現(xiàn)這一目的。而感性負載通常不需要這種延遲。

  印刷電路板分流

  1oz銅箔的薄層電阻約為5 ? 10 - 4Ω/平方，溫度系數(shù)為0.39%/°C。由于LT1910的漏極檢測閾值具有類似的溫度系數(shù)（0.33%/°C），因此可以使用由PCB銅跡線材料制成的“免費”漏極檢測電阻來實現(xiàn)接近零溫度系數(shù)的電流檢測。對于1oz銅，保守的做法是每1A電流使用0.02"的寬度，長度為2"。對于2oz銅，寬度可以減半，長度保持不變?？梢栽陔娮柚屑尤霃澢糠忠怨?jié)省空間，每個彎曲部分相當于約0.6倍直線長度的寬度。同時，應采用Kelvin連接方式，從電阻兩端分別引出一條獨立的跡線連接到LT1910的V + 和SENSE引腳。

  低電壓/寬電源范圍操作

  當電源電壓低于12V時，LT1910的電荷泵可能無法產(chǎn)生足夠的柵極電壓來充分增強標準N溝道MOSFET。對于這些應用，可以使用邏輯電平MOSFET將工作電源電壓擴展至低至8V。如果MOSFET的最大VGS額定值為15V或更高，那么LT1910也可以在高達60V的電源電壓下工作（V + 引腳的絕對最大額定值）。

  防止電源瞬變

  LT1910經(jīng)過100%測試，保證在V + 和GND引腳之間施加60V電壓時不會損壞。但如果超過這個電壓，即使是短暫的幾微秒，也可能導致災難性后果。因此，在這種應用中，必須在V + 和GND引腳之間添加瞬態(tài)抑制器，如Diodes Inc.的SMAJ48A。同時，為了確保正確的電流檢測操作，V + 引腳應連接到漏極檢測電阻的正極，并且電源應在V + 引腳和漏極檢測電阻連接點處進行充分去耦。當工作電壓接近LT1910的60V絕對最大額定值時，強烈建議在V + 和GND引腳之間進行局部電源去耦，并且必須使用帶有瞬態(tài)抑制器的RC緩沖器。但需要注意的是，不要在V + 引腳串聯(lián)電阻，因為這會導致電流檢測閾值出現(xiàn)誤差。

  低端驅動

  雖然LT1910主要針對高端（接地負載）開關應用，但也可以用于低端（電源連接負載）開關應用。在使用時，由于LT1910的電荷泵會嘗試將N溝道MOSFET的柵極泵升至高于電源電壓，因此需要一個鉗位齊納二極管來防止MOSFET的VGS（絕對最大）超過額定值。LT1910的柵極驅動具有電流限制功能，因此在GATE引腳和齊納二極管之間不需要電阻。對于低端驅動的電流檢測，可以采用多種方式。如果負載的電源電壓在LT1910的電源工作范圍內，可以通過電流檢測電阻將負載連接回電源，以實現(xiàn)LT1910保護電路的正常運行。如果負載不能通過電流檢測電阻連接回電源，或者負載電源電壓高于LT1910的電源電壓，則需要將電流檢測轉移到低端MOSFET的源極。可以使用一個運算放大器（必須能夠共模到地）將RS兩端的電壓電平轉換到漏極檢測引腳，這種方法允許使用由PCB銅跡線材料制成的小檢測電阻。在這種情況下，LT1910的重啟定時器功能與高端開關應用相同。

總結

LT1910以其豐富的特性和靈活的應用方式，為電子工程師在設計高端開關應用電路時提供了一個強大而可靠的選擇。在實際應用中，工程師需要充分理解其各項參數(shù)和工作原理，并根據(jù)具體的應用場景和需求，合理選擇引腳配置和外部組件，以確保電路的性能、穩(wěn)定性和安全性。同時，通過參考相關的技術文檔和應用案例，可以更好地發(fā)揮LT1910的優(yōu)勢，實現(xiàn)高質量的電路設計。在你的設計中，是否也遇到過類似需求的場景呢？你會選擇LT1910作為解決方案嗎？歡迎一起交流探討。