magyar elektronika

Hírlevél

Tájékozódjon legfrissebb cikkeinkről, híreinkről!

Valós email cím megadása kötelező

Invalid Input

Invalid Input

Arrow lidEz 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.

 

Arrow1

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.

 

Arrow2

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%.

 

Arrow3

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.

 

Arrow4

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.

 

Arrow5

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.

 

Arrow6

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