Az iparág első kettős 70 A-es és egyes 140 A-es intelligens SilentMOS™ tápfokozatai
Ez a cikk bemutatja az Analog Devices LTC7050 SilentMOSTM családját. Ez az új, nagyáramú terheléspontos konverter kielégíti a rendszertervek nagy hatékonyságú, nagy sűrűségű és megbízható teljesítményfokozatai iránti növekvő igényt.
Miért ideális választás az Analog Devices LTC7050 SilentMOSTM családja?
Az LTC7050 konfigurálható két külön sín táplálására, egyedi be- és kikapcsolásvezérléssel, hibajelzéssel és áramérzékelő kimenetekkel, vagy konfigurálható kétfázisú, egykimenetű átalakítóként. Az LTC7051 egyetlen 140 A teljesítményű végfokozat, amely az LTC7050 magtervét használja ki, és egyetlen induktivitással még nagyobb teljesítménysűrűséget nyújt. Az LTC7050 kettős monolitikus teljesítményfokozat teljes mértékben integrálja a nagy sebességű meghajtókat alacsony ellenállású félhidas teljesítménykapcsolókkal, valamint átfogó felügyeleti és védelmi áramkörökkel egy elektromosan és hőtechnikailag optimalizált tokban. Megfelelő nagyfrekvenciás vezérlővel ez a teljesítményfokozat egy kompakt, nagyáramú feszültségszabályozó rendszert alkot, amely a legkorszerűbb hatékonysággal és tranziens válaszokkal rendelkezik. A Silent Switcher® 2 architektúra és az integrált feszültség-utánhúzó (bootstrapped) tápegységek nagy sebességű kapcsolást tesznek lehetővé, csökkentve a nagyfrekvenciás teljesítményveszteséget a bemeneti tápegység vagy a kapcsolócsomóponti feszültség túlcsúszásának csillapításával és a kísérő EMI minimalizálásával.
Az alacsony kapcsolócsomóponti terhelés növeli a tápfokozat robusztusságát
A hagyományos buck-szabályozók kialakításánál a bemeneti kondenzátor és a teljesítmény-MOSFET-ek közötti „forró hurok”(hot loop) induktivitása nagy tüskéket eredményez a kapcsolócsomóponton. A Silent Switcher® 2 technológiát alkalmazva a SilentMOSTM LTC7050 a kritikus VIN leválasztó kondenzátorokat egy LQFN-tokba integrálja. A „forró hurkok” (hot loop) lekicsinyítése alacsonyabb parazitainduktivitást eredményez. Emellett a teljesen szimmetrikus elrendezés kiiktatja az elektromágneses mezőket. Az 1. ábra összehasonlítja az LTC7050 elrendezését egy hagyományos tápfokozattal.
1. ábra A SilentMOSTM LTC7050 belső szimmetrikus és kis „forró hurokkal” (hot loop) rendelkezik a lengés minimalizálása érdekében, (a) az LTC7050 és (b) egy hagyományos DrMOS-modul
Amint a 2. ábrán látható, a kapcsolócsomópont csúcsfeszültsége csak 13 V, amikor a bemeneti feszültség 12 V és a kimenet teljesen terhelt. A teljesítmény-MOSFET-et érő csúcsfeszültségi terhelés és a névleges feszültség közötti bőséges tartalék biztosítja az eszköz megbízhatóságát. A teljesen integrált „forró hurkok” (hot loop) kiküszöbölik a NYÁK elrendezésének érzékenységét, és átláthatóvá teszik a felhasználó számára a kifinomult elektromágneses kioltási elrendezést. A kapcsolócsomópontok csengésének helyes méréséhez használható a kapcsolókivezetésről a helyi földre forrasztott koaxiális kábel, és oszcilloszkópon illesztett impedanciával mérhető meg a hullámforma.
2. ábra A kapcsolócsomópont hullámformája; ILOAD = 25 A fázisonként
A magas hatékonyság és a korszerű tokforma nagy teljesítménysűrűséget tesz lehetővé
Az alacsony átmeneti veszteség miatt az LTC7050 a nagyfrekvenciás tervezésekben hatékonyabb, mint a hagyományos DrMOS-modul. A tápegység áramának és feszültségének átfedési idejét a meghajtási sebesség határozza meg. Egy többrétegű DrMOS-modulban a meghajtási sebességet a meghajtók és a teljesítmény-MOSFET-ek közötti, valamint a meghajtók és a kondenzátorok közötti induktivitás korlátozza. A MOSFET-kapuk túl gyors meghajtása túlfeszültséghez vezethet a teljesítményeszközök/meghajtók kapuinál, és meghibásodást okozhat. Emellett a magas di/dt nagy tüskét okoz a kapcsolócsomópontnál, mivel a „forró hurok” (hot loop) induktivitása nem elhanyagolható. Az LTC7050 meghajtói ugyanarra a lapkára integráltak, mint a teljesítményfokozat, és az összes kapu meghajtójának kondenzátorai a tokban vannak. Az összekötővezetékek kiküszöbölésével a parazitainduktivitás minden egyes meghajtóhurokban megközelíti a nullát. A többrétegű DrMOS-modulhoz képest az LTC7050 sokkal gyorsabban kapcsolja be és ki a tápegységeket. A bekapcsolt csomóponti feszültség emelkedő éle tipikusan mindössze 1 ns, amint azt a 2. ábra mutatja. A kategóriájában leggyorsabb meghajtási sebesség nagymértékben csökkenti az átmeneti veszteséget. A gyors meghajtási sebesség lehetővé teszi, hogy az LTC7050 holtideje nulla legyen, ami nagymértékben csökkenti a diódavezetési és a fordított visszaállítási veszteségeket. A kifinomult kialakítás növeli a teljesítményátalakítás hatékonyságát magas kapcsolási frekvenciákon. A 3. ábra a 12 V-ról 1,8 V-ra történő átalakítás hatásfokát és veszteséggörbéjét mutatja 600 kHz-en és 1 MHz-en. Az 1 MHz-es kialakításnál a csúcshatásfok több mint 94%.
3. ábra Hatékonysági és veszteséggörbék
A 4. ábra a 12 V-ról 1,0 V-ra történő átalakítás hatásfokát és veszteséggörbéjét mutatja 600 kHz-en és 1 MHz-en.
4. ábra Hatékonysági és veszteséggörbék
A 4. ábrán látható 1 MHz-es kialakításnál, 60 A-nél a hatásfok közel 90%, amíg a teljes veszteség, beleértve az induktív veszteséget is, kevesebb, mint 7 W. Az LTC7050 termikusan javított 5 mm × 8 mm-es LQFN-tokozatának alacsony, 10,8 °C/W hőimpedanciája van. Az alacsony veszteség és az alacsony hőimpedancia lehetővé teszi, hogy az LTC7050 két, az iparágban szabványos 5 mm × 6 mm-es DrMOS-modul helyettesítésére alkalmas legyen. Az 5. ábra az LTC7050 hőképét mutatja 12 V-ról 1 V/60 A-ra történő, 1 MHz-es konverziós kapcsolásnál. A tok hőmérséklet-emelkedése körülbelül 68 °C. Vizsgálati feltétel: VIN = 12 V, VOUT = 1 V és IOUT = 60 A, nincs légáramlás, a kártyát több mint 30 percig kell működtetni.
5. ábra Az LTC7050 hőképe
Szigorú hibajelző és védelmi rendszer garantálja a terhelés biztonságát
A rendszer biztonsága érdekében az LTC7050 család hibaérzékelési, riasztási és védelmi funkciók egész sorát tartalmazza. Az LTC7050 teljes mértékben tesztelt túláramvédelemmel rendelkezik mind a felső, mind az alsó FET-ek esetében. A tápegységekkel azonos chipen lévő illesztőeszközök kivonják a táp-FET-eken átfolyó pillanatnyi áramot. A monolitikus architektúra garantálja, hogy a hőmérséklet- és folyamatváltozási hatások jól kiiktathatók, az áramérzékelő jelek késleltetését okozó parazitahatások elhanyagolhatók. A monolitikus architektúra ezen belső előnyei valós idejű, pontos áramfelügyeletet és védelmet tesznek lehetővé. Amint a túláram-összehasonlító kiold, az érintett tápegység a PWM-bemenettől függetlenül lekapcsolódik, az FLTB kivezetést alacsonyra húzza, hogy jelentse a hibát a vezérlőnek, és az ellentétes eszköz bekapcsol, hogy az induktivitás áramát nullára futassa (freewheeling). A meghajtók csak az áram nullára való lecsökkenése után fogadnak újra PWM-jeleket. Ez a védelmi séma megakadályozza, hogy a teljesítményfokozat folyamatosan a pozitív vagy negatív áramhatár körül ingadozzon, és így elkerülhető az eszközök hőterhelése. A 6. ábra mutatja a terhelőáram felfutásának hatását, amíg a pozitív túláramvédelem működésbe lép. Annak garantálása érdekében, hogy a tápegységek a biztonságos működési tartományon belül maradjanak, az LTC7050 bemeneti túlfeszültségzáró funkciója mindkét teljesítménykapcsolót a kapcsolás leállítására kényszeríti, amikor a bemeneti feszültség az OV küszöbértéket meghaladja. Ha a teljesítmény-MOSFET nagy áramot vezet az OV érzékelésekor, akkor az áramot a fent leírtak szerint az ellenkező teljesítményű eszköz szabadonfutóvá teszi. Az LTC7050 család két hőmérsékletmérő interfészt biztosít a vezérlőhöz (mint az LTC3884) vagy a rendszermonitorhoz. A TDIODE láb egy PN-csomóponti diódához csatlakozik az IC-csomóponti hőmérséklet VBE-módszerrel vagy ΔVBE-módszerrel történő méréséhez. A TMON egy dedikált kivezetés a chip-hőmérséklet jelentésére az ipari szabványnak megfelelő 8 mV/°C-os meredekséggel. A szabványos DrMOS-modulokkal ellentétben, amelyek az analóg hőmérséklet-felügyeletet más hibajelzésekkel kombinálják egy kivezetésen, az LTC7050 TMON csak akkor húzódik VCC-re, ha a chip hőmérséklete legalább 150 °C; más hibaállapotok esetén a TMON továbbra is jelzi a chip hőmérsékletét, miközben az FLTB open-drain kimenet alacsonyra van húzva. A monolitikus architektúra lehetővé teszi, hogy a TDIODE és a TMON szorosan tükrözze a tápegységek hőmérsékletét. Ha egy nagy fázisszámú rendszerben több tápfokozatot alkalmaznak, a TMON kivezetések összekapcsolhatók úgy, hogy a legmagasabb hőmérsékletet jelentsék. A tokba integrált bootstrap-dióda és a bootstrap-kondenzátor kiküszöböli a boost-kivezetés szükségességét, valamint a bootstrap-meghajtó véletlen rövidre zárásának esélyét. Belsőleg a bootstrap-vezérlő feszültségét folyamatosan felügyelik. Ha a feszültség az alulfeszültségi küszöbérték alá esik, akkor a felső FET kikapcsol a túlzott vezetési veszteség elkerülése érdekében.
6. ábra Az LTC7050 túláramvédelme
Következtetés
Az LTC7050 SilentMOSTM monolitikus, nagyáramú intelligens teljesítményfokozatok ideális megoldást jelentenek a nagyfrekvenciás nem szigetelt (Point of Load) alkalmazásokhoz. A szimmetrikusan elhelyezett, integrált „forró hurkok” (hot loop) számos előnnyel járnak. A kevesebb külső alkatrész csökkenti a nyomtatott áramköri lap alapterületét, és csökkenti az anyagköltségeket. Az alacsony kapcsolócsomóponti csengés növeli az eszköz megbízhatóságát. Az alacsony kapcsolási veszteség nagy hatékonyságot nyújt magas kapcsolási frekvencián, ami lehetővé teszi kis induktivitások használatát és a kimeneti kondenzátor méretének zsugorodását, mivel a zárt hurok sávszélessége nagyobb. Átfogó felügyeleti és védelmi funkciók védik a drága terheléseket különböző hibaállapotok esetén.
További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.
Szerzők: Yingyi Yan, Eugene Cheung, Eric Gu és Tuan Nguyen – IC Tervezőmérnökök
Arrow Electronics Hungary 1138 Budapest, Váci út 140. Bihari Tamás, Senior Field Application Engineer E-mail: tbihari@arroweurope.com Tel.: +36 30 748 0457 www.arrow.com
Ez a cikk bemutatja az Analog Devices LTC7050 SilentMOSTM családját. Ez az új, nagyáramú terheléspontos konverter kielégíti a rendszertervek nagy hatékonyságú, nagy sűrűségű és megbízható teljesítményfokozatai iránti növekvő igényt.
