Контроллер активного выпрямителя со сверхбыстрым откликом и низкой рассеиваемой мощностью

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2018

Bin Wu, Analog Devices

Design Note 572

Введение

Контроллер активного выпрямителя LT8672 (с внешним MOSFET) обеспечивает защиту от обратных токов и выпрямление напряжения в источниках питания автомобильного оборудования. Эта функция традиционно выполняется диодами Шоттки, по сравнению с которыми активная защита LT8672 имеет ряд преимуществ:

• Минимальные потери мощности;
• Низкое, предсказуемое, регулируемое падение напряжения 20 мВ.

В LT8672 также включен ряд функций, позволяющих выполнить требования, предъявляемые к шинам питания автомобильного оборудования:

• Защита входа от обратных напряжений до –40 В;
• Широкий диапазон рабочих напряжений: от 3 В до 42 В;
• Сверхбыстрый переходный отклик, обеспечивающий:
  • выпрямление напряжения 6 В пик-пик на частотах до 50 кГц,
  • выпрямление напряжения 2 В пик-пик на частотах до 200 кГц;
• Интегрированный повышающий преобразователь для драйвера МОП-транзистора, работающий лучше, чем зарядовые насосы.

Законченная схема защиты показана на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Решение для выпрямления и защиты от обратных токов, основанное на микросхеме LT8672.

Быстрая реакция на пульсации входного напряжения

Автомобильные стандарты, такие как ISO 16750 или LV124, указывают, что электронные блоки управления (ЭБУ) автомобилей могут подвергаться воздействию пульсаций с размахом до 6 В и частотой до 30 кГц, наложенных на напряжение аккумуляторной батареи. Драйвер затвора микросхемы LT8672, управляющий внешним MOSFET, способен выпрямлять пульсации с частотой до 100 кГц, сводя к минимуму обратные токи. Пример выпрямления таких пульсаций показан на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Выпрямление входных пульсаций.

Низкая рассеиваемая мощность по сравнению с диодом Шоттки

Рисунок 3.	Конфигурации систем, использующих микросхему LT8672 (а) и диод Шоттки (б).

3Для сравнения характеристик LT8672 (при использовании в качестве внешнего MOSFET транзистора IPD100N06S4-03) с решением, основанным на диоде Шоттки (CSHD10-45L), были собраны две макетные схемы, показанные на Рисунке 3. Здесь подключенный к входу 12-вольтовый источник питания имитирует автомобильную батарею, а нагрузка на выходе забирает ток 10 А. Термограммы плат в установившемся режиме для обоих вариантов схемы представлены на Рисунке 4. Без принудительного охлаждения LT8672 демонстрирует прекрасные тепловые характеристики, достигая пиковой температуры всего 36 °C, в то время как схема с диодом Шоттки нагревается до намного более высокой температуры 95.1 °C.

а) б)
Рисунок 4.	Сравнение термограмм систем, использующих микросхему LT8672 (а) и диод Шоттки (б).

Возможность работы с низким входным напряжением

Схемы, работающие в тяжелых условиях эксплуатации автомобиля, должны сохранять работоспособность во время холодного запуска, когда напряжение аккумуляторной батареи проседает до 3.2 В. В связи с этим многие электронные устройства для автомобилей конструируются с расчетом на минимальное напряжение питания 3 В. Непостоянное прямое падение напряжение на диодах Шоттки может создавать проблемы во время холодного запуска, когда из-за этого падения последующим схемам остается напряжение от 2.5 до 3 В – слишком низкое для работы некоторых систем. Напротив, благодаря регулируемому падению напряжения 20 мВ, решение на LT8672 гарантирует требуемые 3 В, упрощая разработку схемы и повышая надежность системы.

Рисунок 5.	Конфигурация лабораторного макета для теста, имитирующего холодный пуск двигателя.

На Рисунке 5 изображена блок-схема лабораторного макета с понижающим преобразователем LT8650S для сравнительного теста, имитирующего холодный пуск двигателя. Выходное напряжение преобразователя установлено равным 1.8 В при постоянном токе нагрузки 4 А и минимальном требуемом входном напряжении 3 В. Результаты представлены осциллограммами на Рисунке 6.

Рисунок 6.	Напряжение при холодном пуске двигателя в системах с микросхемой LT8672 (а) и с диодом Шоттки (б).

Когда напряжение батареи V_BATT падает до 3.2 В, система, управляемая LT8672 (а), поддерживает входное напряжение V_IN на уровне выше 3 В, позволяя LT8650S сохранять выходное напряжение V_SYS на стабильном уровне 1.8 В. В то же время в системе с диодом Шоттки (б) входное напряжение V_IN микросхемы LT8650S падает ниже минимального рабочего уровня, не давая преобразователю возможности стабилизировать 1.8 В на его выходе V_SYS.

Интегрированный повышающий стабилизатор

Во многих альтернативных контроллерах активных выпрямителей для питания драйвера затвора используются зарядовые насосы. Эти решения часто не могут обеспечить достаточного тока заряда затвора и регулировки выходного напряжения, ограничивая частотный диапазон и характеристики продолжительного выпрямления. Интегрированный в LT8672 повышающий стабилизатор гарантирует точное управление напряжением питания драйвера затвора при большом выходном токе.

Заключение

LT8672 способна выпрямлять высокочастотные пульсации автомобильных источников питания. В микросхеме используется интегрированный повышающий преобразователь для питания драйвера MOSFET, намного увеличивающий скорость реакции при выпрямлении по сравнению с решениями, основанными на зарядовых насосах. Микросхема в крошечном 10-выводном корпусе MSOP, работающая в очень широком диапазоне входных напряжений и потребляющая ультранизкую мощность, обеспечивает выпрямление и защиту от переполюсовки питания.

Материалы по теме