增強(qiáng)性能的100V柵極驅(qū)動(dòng)器提升先進(jìn)通信電源模塊的效率

中國(guó)投影網(wǎng)投影機(jī)資訊　來(lái)源：德州儀器　2019-5-23 16:45:44　編輯：巧樂(lè)滋　[ 大中小 ]

摘要

通訊應(yīng)用使用基于半橋、全橋或同步降壓功率拓?fù)涞碾娫茨K。這些拓?fù)涫褂酶咝阅馨霕蝌?qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)高頻操作和高效率。半橋柵極驅(qū)動(dòng)器采用的技術(shù)已在業(yè)界成功應(yīng)用了數(shù)十年，UCC27282 120-V 2.5A/3.5A半橋驅(qū)動(dòng)器是最新發(fā)展成果。

結(jié)合新功能與改進(jìn)的工作范圍，UCC27282具有全新水平的性能表現(xiàn)，以提高電源模塊的穩(wěn)健性，并在優(yōu)化功率級(jí)設(shè)計(jì)方面提供更大的靈活性。

本應(yīng)用指南將概述UCC27282相對(duì)于上一代驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)并增強(qiáng)穩(wěn)健性。

1 前言 2

2 UCC27282 120V半橋驅(qū)動(dòng)器的新特性 2

3 UCC27282擴(kuò)展的VDD工作范圍 2

4 UCC27282使能功能 6

5 UCC27282輸入互鎖功能 7

6 總結(jié) 8

7 參考文獻(xiàn) 8

圖片列表

圖1.CSD19531柵極電荷與VGS 3

圖2.CSD19531 RDS(on) 與 VGS 3

圖3.UCC27282同步降壓測(cè)試電路 4

圖4.同步降壓柵極驅(qū)動(dòng)、功率轉(zhuǎn)換器和總功耗 4

圖5.UCC27282和競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品峰值拉電流與VDD 5

圖6.UCC27282和競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品峰值灌電流與VDD 5

圖7.UCC27282和競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品同步降壓效率與VDD 6

圖8.UCC27282 IEN、ISD和UCC27201A IQ 7

圖9.UCC27282 LO和HO，在LI和HI上重疊20ns 8

表格列表

表1.UCC27282 ISD 和 PSD與UCC27201 IQ 和 PQ 7

1前言

隨著對(duì)給定尺寸，甚至縮小尺寸內(nèi)更高處理能力的需求，電信和數(shù)據(jù)通信設(shè)備性能也在不斷增加。增加的設(shè)備性能導(dǎo)致電源需求增加。必須從空間利用率和效率角度優(yōu)化這些系統(tǒng)中的電源。電信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的復(fù)雜性也在增加，這使得它們更容易受到噪聲和瞬態(tài)的影響。數(shù)據(jù)中心的功耗越來(lái)越受到關(guān)注。出于這個(gè)原因，重點(diǎn)在于提高效率，同時(shí)降低未被主動(dòng)使用的設(shè)備的待機(jī)或空閑功耗。大多數(shù)數(shù)據(jù)通信和電信電源模塊都具有使能功能，可降低輸入待機(jī)功耗。

2 UCC27282 120V半橋驅(qū)動(dòng)器的新特性

UCC27282 120V半橋驅(qū)動(dòng)器具有多項(xiàng)新特性和參數(shù)改進(jìn)，有助于實(shí)現(xiàn)更高水平的電源模塊性能和穩(wěn)健性。EN引腳上的低電平信號(hào)可禁用驅(qū)動(dòng)器，將UCC27282設(shè)置為非常低的IDD電流狀態(tài)。當(dāng)禁用電源模塊時(shí)，這種非常低的電流將有助于實(shí)現(xiàn)非常低的輸入待機(jī)功耗。UCC27282 VDD工作范圍已擴(kuò)展至5.5V至16V。這可以使設(shè)計(jì)人員優(yōu)化VDD工作電壓，以實(shí)現(xiàn)更低的柵極驅(qū)動(dòng)損耗。UCC27282包括輸入互鎖功能，防止在LI和HI輸入同時(shí)為高電平時(shí)，兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出也同時(shí)處于高電平狀態(tài)。

3 UCC27282擴(kuò)展的VDD工作范圍

3.1柵極驅(qū)動(dòng)損耗和傳導(dǎo)損耗

大多數(shù)48V VIN電信和數(shù)據(jù)通信電源模塊設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器VDD電壓在9V至10V范圍內(nèi)，使用100V半橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)100V VDS額定功率MOSFET。隨著VGS驅(qū)動(dòng)電壓的降低，柵極驅(qū)動(dòng)損耗降低，許多MOSFET器件的RDS（on）與VGS曲線顯示出8V至10V VGS以上的RDS（on）幾乎沒(méi)有降低。選擇驅(qū)動(dòng)器VDD的一項(xiàng)考慮因素是開(kāi)啟UVLO閾值，以及包括偏置電壓上的負(fù)電壓瞬變的一些裕度。對(duì)于上一代驅(qū)動(dòng)器，這可能導(dǎo)致選擇驅(qū)動(dòng)器VDD高于最佳柵極驅(qū)動(dòng)和傳導(dǎo)損耗工作點(diǎn)。

CSD19531 100V 5.3mΩ MOSFET Qg 與VGS曲線如圖1所示，RDS（on）與VGS曲線如圖2所示。雖然該MOSFET的RDS（on）規(guī)格為VDS = 6V，但可以看到RDS（on）曲線在6V時(shí)仍然具有明顯的下降。在VGS = 8V時(shí)，曲線變得更平坦。

圖1顯示了隨VGS增加的柵極電荷，正如預(yù)期，其斜率變化接近閾值電壓。

柵極驅(qū)動(dòng)損耗取決于VDD、開(kāi)關(guān)頻率（FSW）和MOSFET Qg，如下面的等式1所示。

圖1.CSD19531柵極電荷與VGS

圖2.CSD19531 RDS(on) 與 VGS

具體的最佳柵極驅(qū)動(dòng)幅度取決于電源傳動(dòng)系統(tǒng)的工作條件，包括開(kāi)關(guān)頻率和MOSFET RMS電流。此外，關(guān)于Qg與VGS曲線以及RDS（on）與VGS曲線的功率MOSFET的特性非常重要。有關(guān)優(yōu)化損耗的指導(dǎo)，請(qǐng)參考TI應(yīng)用指南“通過(guò)調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)幅度優(yōu)化MOSFET特性”。

為了說(shuō)明總功率系、柵極驅(qū)動(dòng)損耗和組合損耗，圖3中所示的同步降壓轉(zhuǎn)換器在以下條件下進(jìn)行了測(cè)試：VIN=48V，F(xiàn)sw=200kHz, IOUT=4A(DC), LI/HI死區(qū)時(shí)間=50ns。

圖3.UCC27282同步降壓測(cè)試電路

輸出功率為96W的同步降壓測(cè)試電路數(shù)據(jù)如下圖4所示�？梢钥吹綎艠O驅(qū)動(dòng)器功耗隨著VDD的增加而增加。功率轉(zhuǎn)換器損耗在6V和7V VDD時(shí)更高，并且在8V VDD和更高電壓下相對(duì)穩(wěn)定。結(jié)合的柵極驅(qū)動(dòng)和功率轉(zhuǎn)換器損耗在8V VDD時(shí)最小。該MOSFET不是邏輯電平FET，邏輯電平MOSFET的最佳柵極驅(qū)動(dòng)電壓可能會(huì)更低。

圖4.同步降壓柵極驅(qū)動(dòng)、功率轉(zhuǎn)換器和總功耗

3.2VDD范圍內(nèi)的柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度

之前的測(cè)試數(shù)據(jù)討論涵蓋了柵極驅(qū)動(dòng)損耗和導(dǎo)通損耗與驅(qū)動(dòng)器VDD工作點(diǎn)之間的權(quán)衡。柵極驅(qū)動(dòng)器在VDD工作范圍內(nèi)的另一個(gè)重要方面是保持足夠的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，尤其是在較低的VDD時(shí)。在12V VDD，UCC27282柵極驅(qū)動(dòng)器具有2.5A拉電流和3.5A灌電流的足夠驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，這是大多數(shù)100V半橋柵極驅(qū)動(dòng)器規(guī)定的工作電壓。雖然柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度受UCC27282上VDD電壓水平的影響，但類似的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度在較低的VDD水平時(shí)明顯更低，如圖5和圖6所示。

圖5.UCC27282和競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品峰值拉電流與VDD

圖6.UCC27282和競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品峰值灌電流與VDD

在較低VDD下降低的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度導(dǎo)致VGS上升和下降時(shí)間增加，這將增加開(kāi)關(guān)損耗。使用與圖3所示相同的測(cè)試電路和相同的工作條件，將競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的柵極驅(qū)動(dòng)器測(cè)試數(shù)據(jù)與在相同條件下工作的UCC27282進(jìn)行比較。圖7比較了UCC27282和競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品器件之間包括柵極驅(qū)動(dòng)器和功率轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的所有損耗的效率。與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品器件相比，可以看到在6V至10V的VDD范圍內(nèi)，UCC27282柵極驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換器效率明顯改善。

圖7.UCC27282和競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品同步降壓效率與VDD

4UCC27282使能功能

當(dāng)EN引腳低于1.21V的典型下降閾值時(shí)，UCC27282的使能功能將IC設(shè)置為非常低的IDD電流狀態(tài)并禁用驅(qū)動(dòng)器的LO和HO輸出。當(dāng)處于禁用狀態(tài)時(shí)，UCC27282的ISD在VDD = 12V時(shí)典型值為7uA。當(dāng)處于非開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，這比典型的上一代驅(qū)動(dòng)器低得多，如下面的圖8所示。圖8比較了處于使能狀態(tài)非開(kāi)關(guān)條件和禁用條件的UCC27282 IDD與處于非開(kāi)關(guān)條件的UCC27201A驅(qū)動(dòng)器。UCC27201A的非開(kāi)關(guān)電流是許多早期100V半橋驅(qū)動(dòng)器的典型值。UCC27201A UVLO通常為7.1V，因此IC不會(huì)在此UVLO上升閾值以下工作。該UVLO上升閾值也是許多早期100V驅(qū)動(dòng)器的典型值�？梢钥吹経CC27282禁用電流ISD遠(yuǎn)低于UCC27201A的IQ。在VDD = 8V時(shí)，UCC27201A IQ為297uA，UCC27282 ISD為4.1uA，待機(jī)功耗為~2.4mW，而UCC27282為~33uW。在VDD = 10V時(shí)，UCC27201A IQ為389uA，而UCC27282 ISD為5.54uA，待機(jī)功耗為3.89mW和55.4uW。有關(guān)待機(jī)功耗和電流比較的詳細(xì)信息，參見(jiàn)表1。

如果最終應(yīng)用需要多個(gè)驅(qū)動(dòng)器，則待機(jī)功耗的差異與所需驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量有關(guān)。再加上精心設(shè)計(jì)的監(jiān)控和偏置電路以及選擇控制器IC，UCC27282可以幫助實(shí)現(xiàn)極低的待機(jī)功耗。

圖8.UCC27282 IEN、ISD和UCC27201A IQ
表1.UCC27282 ISD 和 PSD與UCC27201 IQ 和 PQ

V_DD	I_SD 27282 (uA)	P_SD 27282 (uW)	I_Q 27201 (uA)	P_Q 27201 (mW)
6	2.71	16.26	127.2	0.76
7	3.38	23.66	246.1	1.72
8	4.11	32.88	296.2	2.37
9	4.85	43.65	343.9	3.1
10	5.54	55.4	388.4	3.88
12	7.01	84.12	442.2	5.31

5UCC27282輸入互鎖功能

UCC27282驅(qū)動(dòng)器包含輸入互鎖功能，可防止LO和HO輸出同時(shí)處于高電平狀態(tài)。包括同步降壓、半橋、全橋和全橋同步整流在內(nèi)的許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都不能容忍高側(cè)和低側(cè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，否則可能會(huì)發(fā)生交叉導(dǎo)通，可能導(dǎo)致?lián)p壞。有許多事件可能導(dǎo)致電壓尖峰或振鈴超出正常觀測(cè)的特性，包括短路或靜電釋放或EFT（電快速瞬變）事件的瞬態(tài)等故障情況。這些異常情況可能導(dǎo)致對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)等關(guān)鍵控制信號(hào)的干擾。UCC27282在LO和HO輸出上升沿和下降沿之間沒(méi)有強(qiáng)制死區(qū)時(shí)間，因此控制器仍然可以確定時(shí)序，以實(shí)現(xiàn)精確的死區(qū)時(shí)間控制。下面的圖9說(shuō)明了LO和HO輸出都處于低電平狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于LI和HI輸入上的20ns重疊。

圖9.UCC27282 LO和HO，在LI和HI上重疊20ns

6總結(jié)

UCC27282柵極驅(qū)動(dòng)器具有多種功能，有助于在通信和數(shù)據(jù)通信模塊中實(shí)現(xiàn)更高水平的性能和穩(wěn)健性。
利用UCC27282，VGS柵極驅(qū)動(dòng)電壓工作范圍可以擴(kuò)展到更低的水平以實(shí)現(xiàn)最佳工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最高效率。不同于上一代驅(qū)動(dòng)器，如果最佳工作點(diǎn)為8V或9V VDD范圍，UCC27282驅(qū)動(dòng)器將具有更大的偏置電壓瞬變或壓降裕度，而不會(huì)觸發(fā)UVLO關(guān)斷。

與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品器件相比，UCC27282在較低的VDD范圍內(nèi)工作時(shí)可以保持足夠的柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。這可以獲得功率轉(zhuǎn)換器效率的顯著提升。

使能功能可將電源轉(zhuǎn)換器中每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的待機(jī)電流降低300uA至450uA。這有助于實(shí)現(xiàn)非常低的待機(jī)功耗，這可成為終端設(shè)備的特征優(yōu)勢(shì)。

由于輸入互鎖功能，使用UCC27282柵極驅(qū)動(dòng)器的功率轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)健性將得到改善。對(duì)于柵極驅(qū)動(dòng)器因輸入信號(hào)電壓尖峰或噪聲的誤觸發(fā)，功率MOSFET功率級(jí)將不會(huì)有明顯的交叉?zhèn)鲗?dǎo)。

7參考文獻(xiàn)

●UCC27282 120-V Half-Bridge Driver with Cross Conduction Protection and Low Switching Losses

●CSD19531Q5A 100V N-Channel NexFET Power MOSFETs

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