LTC7000：高性能高侧NMOS静态开关驱动器的深度解析

LTC7000/LTC7000 - 1：高性能高侧NMOS静态开关驱动器的深度解析

在电子工程师的日常设计工作中，选择合适的开关驱动器至关重要，它直接影响到电路的性能、稳定性和可靠性。今天，我们就来深入探讨一款高性能的高侧N沟道MOSFET栅极驱动器——LTC7000/LTC7000 - 1，看看它有哪些独特的特性和应用场景。

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一、产品概述

LTC7000/LTC7000 - 1是一款能够在高达135V输入电压下工作的快速高侧N沟道MOSFET栅极驱动器。它内置的电荷泵可完全增强外部N沟道MOSFET开关，使其能够持续导通。强大的驱动器能够以极短的转换时间轻松驱动大栅极电容，非常适合高频开关应用或需要快速开启和/或关闭时间的静态开关应用。

二、产品特性

1. 宽输入电压范围：工作电压 (V_{IN}) 范围为3.5V至135V（绝对最大150V），能适应多种不同的电源环境。
2. 快速开关特性：具有1Ω下拉和2.2Ω上拉电阻，传播延迟仅35ns，可实现快速开启和关闭，有效减少开关损耗。
3. 内部电荷泵：支持100%占空比，降低外部MOSFET导通电阻带来的功率损耗。
4. 短路保护：LTC7000具备可调节的电流跳闸阈值，能在短路时及时保护电路。
5. 电流监测输出：LTC7000提供电流监测输出，方便工程师实时监测电路电流。
6. 自动重启定时器：在故障排除后，可自动尝试重启，提高系统的可靠性。
7. 开漏故障标志：能及时反馈故障信息，便于工程师快速定位问题。
8. 可调节参数：可调节开启压摆率、(V{IN}) 欠压和过压锁定、驱动器电源 (V{CC}) 欠压锁定等参数，满足不同的设计需求。
9. 低功耗：关机电流仅1µA，有效降低系统功耗。
10. 封装与兼容性：采用热增强型16引脚MSOP封装，具备AEC - Q100汽车应用认证，且输入与CMOS兼容。

三、应用场景

1. 静态开关驱动器：可用于负载和电源开关驱动，实现对电路的高效控制。
2. 电子阀驱动器：在电子阀控制中，能够快速准确地驱动阀门开关。
3. 高频高侧栅极驱动器：满足高频开关应用的需求，适用于各种高频电路设计。

四、工作原理与关键特性详解

1. 过流保护

LTC7000/LTC7000 - 1通过监测外部MOSFET漏极串联的检测电阻两端的电压，当电压超过电流比较器阈值电压 (Delta V{TH}) 时，经过由定时电容 (C{T}) 设置的一段时间后，将TGDN拉至TS，使外部MOSFET关闭。当ISET悬空时，(Delta V{TH}) 内部编程为30mV，可使用较低值的检测电阻，减少电流检测带来的外部传导损耗。通过在ISET和地之间连接电阻，可将 (Delta V{TH}) 编程为20mV至75mV。

2. 电流监测（仅LTC7000）

LTC7000的IMON引脚提供一个参考地的输出电压，该电压反映了连接在 (SNS^{+}) 和 (SNS^{-}) 之间的外部检测电阻中的电流。IMON引脚的电压是 (SNS^{+}) 和 (SNS^{-}) 引脚之间电压差的20倍，范围为0V至1.5V。当INP为低电平时，IMON引脚通过100kΩ电阻拉至地。

3. (V_{CC}) 电源

MOSFET驱动器和内部电路的电源来自 (V{CC}) 引脚，该引脚电压由连接到 (V{IN}) 的内部P沟道LDO生成。对于高频开关应用，也可从外部高效电源对 (V{CC}) 进行过驱动，但 (V{CC}) 电压不应高于 (V_{IN}) ，否则可能会损坏器件。

4. 内部电荷泵

内部电荷泵使MOSFET栅极驱动能够实现100%占空比，将BST - TS电压调节至12V，降低外部MOSFET导通电阻带来的功率损耗。电荷泵使用TS或 (V_{CC}) 中的较高电压作为充电源。

5. 启动与关机

• LTC7000：当RUN引脚电压低于0.7V时，进入关机模式，所有内部电路禁用，直流电源电流降至约1µA。当RUN引脚电压超过0.7V时，连接到 (V{IN}) 的内部LDO启用，将 (V{CC}) 调节至10V。当 (V{IN}) 电压低于10V时，LDO工作在降压模式，(V{CC}) 跟随 (V_{IN}) 。当RUN引脚电压超过1.21V时，输入电路启用，允许TGUP和TGDN相对于TS拉高。
• LTC7000 - 1：不包含RUN引脚，当 (V{IN}) 高于3.5V时，连接到 (V{IN}) 的内部LDO和输入电路启用。

6. 保护电路

• 过温保护：当结温达到约180°C时，进入热关机模式，TGDN被拉至TS。当器件冷却至160°C以下时，TGDN可再次拉高。
• 电压范围保护：当 (V{IN}) 、 (V{CC}) 或 ((V{BST}-V{TS})) 不在正常工作范围内时，禁止TGUP拉至BST。通过使用从 (V{IN}) 到地的电阻分压器（仅LTC7000），RUN和OVLO引脚可作为精确的输入电源过压/欠压锁定。当RUN低于1.11V或OVLO高于1.21V时，TGDN被拉至TS。此外，当 (V{IN}) 低于3.5V时，内部欠压检测器将TGDN拉至TS。
• (V_{CC}) 欠压锁定： (V{CC}) 包含欠压锁定功能，可通过 (V{CCUV}) 引脚进行配置。当 (V{CCUV}) 悬空时，TGDN被拉至TS，直到 (V{CC}) 大于7.0V。通过使用从 (V{CCUV}) 到地的电阻，可将 (V{CC}) 的上升欠压锁定电压从3.5V调节至10.5V。
• BST - TS欠压锁定：当BST到TS的浮动电压低于3.1V（典型值）时，内部欠压锁定将TGDN拉至TS。

五、应用设计要点

1. 输入级设计

LTC7000/LTC7000 - 1采用CMOS兼容的输入阈值，允许连接到INP的低电压数字信号驱动标准功率MOSFET。内部电压调节器为连接到INP的输入缓冲器提供偏置，使输入阈值（ (V{IH}=2.0V) ， (V{IL}=1.6V) ）独立于 (V{CC}) 的变化。 (V{IH}) 和 (V{IL}) 之间的400mV滞回可消除噪声引起的误触发。INP还包含一个内部1MΩ下拉电阻到地，在启动和其他未知瞬态事件期间将TGDN拉至TS。在关机（ (V{RUN}<0.7V) ）时，内部1MΩ下拉电阻禁用，INP变为高阻抗。

2. 输出级设计

输出级的下拉器件是一个典型 (R{DS(ON)}) 为1Ω的N沟道MOSFET，上拉器件是一个典型 (R{DS(ON)}) 为2.2Ω的P沟道MOSFET。上拉和下拉引脚分开，可在保持快速关闭的同时控制开启瞬态。强大的输出级可最小化驱动外部MOSFET时的过渡损耗，并使MOSFET保持在INP命令的状态，即使在高压和高频瞬态从功率MOSFET耦合回驱动电路时也是如此。

3. (SNS^{+}) 和 (SNS^{-}) 引脚设计

(SNS^{+}) 和 (SNS^{-}) 是高侧电流比较器和电流监测器的输入，其共模工作电压范围为3.5V至150V，独立于其他电压。 (SNS^{+}) 还为电流比较器和电流监测器提供电源，当未关机且INP为高电平时，吸取约21µA电流； (SNS^{-}) 在相同条件下吸取约4µA偏置电流。当 (SNS^{+}) 低于3.2V（典型值，最小值3.5V）时，发生故障条件，可调故障定时器启用，其行为与过流故障相同。通常，SNS引脚连接到外部MOSFET的漏极侧，但只要源电压在故障定时器到期前升至3.5V以上，也可连接到源极侧。在 (SNS^{-}) 引脚串联一个滤波电阻 (R{FLT}) ， (R{FLT}) 应至少比 (R_{SNS}) 大2000倍（最小值100Ω），以在短路事件中提供鲁棒性。

4. ISET引脚设计（仅LTC7000）

电流比较器的阈值电压 (Delta V_{TH}) 可在20mV至75mV之间调节，通过在ISET引脚连接一个到地的电阻来设置。ISET引脚由内部10µA电流源偏置。悬空ISET可使电流比较器具有准确的30mV阈值电压，允许使用较低值的检测电阻，减少外部功率损耗。通过在ISET和地之间连接40kΩ至150kΩ的电阻，可将检测阈值电压编程为20mV至75mV之间的值。

5. 故障定时器和故障标志设计

LTC7000/LTC7000 - 1包含一个可调故障定时器，通过在TIMER引脚连接一个到地的电容来设置外部MOSFET在过流故障条件下关闭前的延迟时间，以及允许外部MOSFET重新开启前的冷却时间。当检测到故障条件时，100µA电流对TIMER引脚充电。当TIMER引脚电压达到1.3V时，FAULT引脚拉低，指示检测到故障条件并提供即将发生功率损耗的警告。当TIMER电压超过1.4V阈值时，TGDN立即拉至TS，关闭外部MOSFET。如果过流故障条件在TIMER达到1.4V之前消失，TIMER由2.5µA电流放电。如果TIMER已达到1.3V（FAULT已拉低）且过流故障条件消失，TIMER以2.5µA电流放电，当TIMER达到0.4V时，FAULT将复位。

6. 冷却周期和重启设计

当TIMER达到1.4V时，在过流故障条件下TGDN被拉至TS，TIMER引脚开始以2.5µA电流放电。当TIMER达到0.4V时，TIMER以2.5µA电流充电。当TIMER达到1.4V时，再次以2.5µA电流放电。此模式重复32次，形成一个长冷却定时器周期（ (T_{COOL - DOWN}) ），然后重试。在冷却周期结束时（当TIMER第32次降至0.4V以下时），LTC7000/LTC7000 - 1重试，将TGUP拉至BST并开启外部MOSFET，FAULT引脚将进入高阻抗状态。可通过在TIMER电容上并联一个100kΩ电阻来禁用自动重试，此时过流故障关闭时间将增加7%，FAULT引脚将保持低电平，指示发生故障。要使LTC7000/LTC7000 - 1重试并清除故障标志，INP信号需要先拉低再拉高。

7. 快速关闭模式设计

如果TIMER引脚连接到 (V{CC}) 或任何大于3.5V（绝对最大15V）的电源，过流事件将立即将TGDN拉至TS，LTC7000/LTC7000 - 1将保持在此状态，直到INP信号先拉低再拉高。在快速关闭模式下，从 (Delta V{SNS}) 过流阶跃到TG变低的典型延迟约为70ns，可检测非常快速的短路事件。在快速关闭模式下，当INP拉高的前150µs内，LTC7000/LTC7000 - 1开启至约65%满载。如果需要开启至100%满载，可考虑使用LTC7000A/LTC7000A - 1。当TIMER引脚连接到大于3.5V的电压时，FAULT信号重新定义为高侧上拉（ (V{TGUP}-V{TS}) ）的反状态，可作为从高侧MOSFET电平转换下来的低电压数字信息使用。

8. 高侧电流监测输出设计（仅LTC7000）

LTC7000包含一个高侧电流监测输出， (SNS^{+}) 和 (SNS^{-}) 引脚之间检测到的高侧差分电压 (Delta V{SNS}) 乘以20后在IMON引脚以地为参考，适用于监测和调节MOSFET电流。IMON的工作范围为0V至1.5V，对应 (Delta V{SNS}) 从0mV至75mV的变化。IMON引脚是一个电压输出，标称输出阻抗为100kΩ，不应进行电阻性加载。电流监测输出仅在INP信号拉高150µs（典型值）后可用，否则IMON引脚被拉至地。如果需要IMON启用时间小于1µs（典型值），可考虑使用LTC7000A/LTC7000A - 1。

9. RUN引脚和外部输入过压/欠压锁定设计（仅LTC7000）

RUN引脚有两个不同的阈值电压电平。将RUN拉低至0.7V以下，LTC7000进入低静态电流关机模式（ (I{Q} approx 1mu A) ）。当RUN引脚电压大于1.21V时，器件启用。RUN和OVLO引脚可通过从 (V{IN}) 到地的电阻分压器配置为 (V_{IN}) 电源的精确欠压（UVLO）和过压（OVLO）锁定。当RUN小于1.11V或OVLO大于1.21V时，TGDN将被拉至TS，外部MOSFET将关闭。OVLO引脚开启或关闭外部MOSFET的近似延迟时间为2.5µs，RUN引脚低于1.11V关闭外部MOSFET的近似延迟时间为3.5µs。在选择电阻值时，应注意通过R3 – R4 – R5分压器的电流会直接增加LTC7000的关机、睡眠和工作电流，需尽量减小该电流对应用电路总电流的影响。

10. 自举电源（BST - TS）设计

连接在BST和TS之间的外部自举电容 (C{B}) 为MOSFET驱动器提供栅极驱动电压。LTC7000/LTC7000 - 1通过内部电荷泵保持BST - TS电源充电，允许占空比高达100%。当高侧外部MOSFET开启时，驱动器将 (C{B}) 电压施加到MOSFET的栅源之间，增强高侧MOSFET并使其开启。MOSFET的源极TS升至 (V{IN}) ，BST引脚跟随。当高侧MOSFET导通时，BST电压高于输入电源， (V{BST}=V{IN}+12V) 。自举电容 (C{B}) 需要至少有10倍于完全开启外部MOSFET所需的电荷，通常对于大多数应用， (C{B}) 取值0.1µF即可满足要求，但应满足 (C{B}>frac{External MOSFET Q_{G}}{1V}) 。

11. (V_{CC}) 生成设计

(V{CC}) 引脚为MOSFET栅极驱动器和内部电路提供电源。LTC7000/LTC7000 - 1具有一个内部P沟道低压差稳压器（LDO），可从 (V{IN}) 电源引脚为 (V{CC}) 供电，也可从外部电源驱动 (V{CC}) 。如果使用内部P沟道LDO为 (V{CC}) 供电，必须连接一个最小1.0µF的低ESR陶瓷电容以确保稳定性，且 (V{CC}) 不应连接到其他电路，除非可选地为LTC7000/LTC7000 - 1的某些引脚（FAULT、INP或TIMER）提供偏置。内部电荷泵为BST - TS电源充电时，向BST引脚输出约30µA电流。如果使用内部电荷泵从初始上电为外部自举电容 (C{B}) 充电的时间不足以满足应用需求，应在 (V{CC}) 和BST之间连接一个反向泄漏低的外部硅二极管D1。如果使用内部P沟道LDO为 (V{CC}) 供电且在 (V{CC}) 和BST之间使用外部硅二极管，应注意不要以过高的频率切换外部MOSFET，以免使内部LDO崩溃。对于更高栅极电荷的应用，应在 (V{CC}) 和BST之间使用外部硅二极管，并从高效外部电源驱动 (V{CC}) ，但 (V{CC}) 电压不应高于 (V{IN}) ，否则可能会损坏LTC7000/LTC7000 - 1。

12. (V_{CC}) 欠压比较器设计

LTC7000/LTC7000 - 1包含一个