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作者：Richard Herring，德州儀器 摘要 通訊應用使用基于半橋、全橋或同步降壓功率拓撲的電源模塊。這些拓撲使用高性能半橋驅動(dòng)器實(shí)現高頻操作和高效率。半橋柵極驅動(dòng)器采用的技術(shù)已在業(yè)界成功應用了數十年，UCC27282 120-V 2.5A/3.5A半橋驅動(dòng)器是最新發(fā)展成果。 結合新功能與改進(jìn)的工作范圍，UCC27282具有全新水平的性能表現，以提高電源模塊的穩健性，并在優(yōu)化功率級設計方面提供更大的靈活性。 本應用指南將概述UCC27282相對于上一代驅動(dòng)器的優(yōu)勢，優(yōu)化設計并增強穩健性。 1 前言 隨著(zhù)對給定尺寸，甚至縮小尺寸內更高處理能力的需求，電信和數據通信設備性能也在不斷增加。增加的設備性能導致電源需求增加。必須從空間利用率和效率角度優(yōu)化這些系統中的電源。電信和數據通信系統的復雜性也在增加，這使得它們更容易受到噪聲和瞬態(tài)的影響。數據中心的功耗越來(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)使用的設備的待機或空閑功耗。大多數數據通信和電信電源模塊都具有使能功能，可降低輸入待機功耗。 2 UCC27282 120V半橋驅動(dòng)器的新特性 UCC27282 120V半橋驅動(dòng)器具有多項新特性和參數改進(jìn)，有助于實(shí)現更高水平的電源模塊性能和穩健性。EN引腳上的低電平信號可禁用驅動(dòng)器，將UCC27282設置為非常低的IDD電流狀態(tài)。當禁用電源模塊時(shí)，這種非常低的電流將有助于實(shí)現非常低的輸入待機功耗。UCC27282 VDD工作范圍已擴展至5.5V至16V。這可以使設計人員優(yōu)化VDD工作電壓，以實(shí)現更低的柵極驅動(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)柵極驅動(dòng)器輸出也同時(shí)處于高電平狀態(tài)。 3 UCC27282擴展的VDD工作范圍 3.1 柵極驅動(dòng)損耗和傳導損耗 大多數48V VIN電信和數據通信電源模塊設計的柵極驅動(dòng)器VDD電壓在9V至10V范圍內，使用100V半橋驅動(dòng)器驅動(dòng)100V VDS額定功率MOSFET。隨著(zhù)VGS驅動(dòng)電壓的降低，柵極驅動(dòng)損耗降低，許多MOSFET器件的RDS（on）與VGS曲線(xiàn)顯示出8V至10V VGS以上的RDS（on）幾乎沒(méi)有降低。選擇驅動(dòng)器VDD的一項考慮因素是開(kāi)啟UVLO閾值，以及包括偏置電壓上的負電壓瞬變的一些裕度。對于上一代驅動(dòng)器，這可能導致選擇驅動(dòng)器VDD高于最佳柵極驅動(dòng)和傳導損耗工作點(diǎn)。 CSD19531 100V 5.3mΩ MOSFET Qg 與VGS曲線(xiàn)如圖1所示，RDS（on）與VGS曲線(xiàn)如圖2所示。雖然該MOSFET的RDS（on）規格為VDS = 6V，但可以看到RDS（on）曲線(xiàn)在6V時(shí)仍然具有明顯的下降。在VGS = 8V時(shí)，曲線(xiàn)變得更平坦。圖1顯示了隨VGS增加的柵極電荷，正如預期，其斜率變化接近閾值電壓。 柵極驅動(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2.CSD19531 RDS(on) 與 VGS 具體的最佳柵極驅動(dòng)幅度取決于電源傳動(dòng)系統的工作條件，包括開(kāi)關(guān)頻率和MOSFET RMS電流。此外，關(guān)于Qg與VGS曲線(xiàn)以及RDS（on）與VGS曲線(xiàn)的功率MOSFET的特性非常重要。有關(guān)優(yōu)化損耗的指導，請參考TI應用指南“通過(guò)調整柵極驅動(dòng)幅度優(yōu)化MOSFET特性”。 為了說(shuō)明總功率系、柵極驅動(dòng)損耗和組合損耗，圖3中所示的同步降壓轉換器在以下條件下進(jìn)行了測試：VIN=48V，Fsw=200kHz, IOUT=4A(DC), LI/HI死區時(shí)間=50ns。
圖3.UCC27282同步降壓測試電路 輸出功率為96W的同步降壓測試電路數據如下圖4所示�？梢钥吹綎艠O驅動(dòng)器功耗隨著(zhù)VDD的增加而增加。功率轉換器損耗在6V和7V VDD時(shí)更高，并且在8V VDD和更高電壓下相對穩定。結合的柵極驅動(dòng)和功率轉換器損耗在8V VDD時(shí)最小。該MOSFET不是邏輯電平FET，邏輯電平MOSFET的最佳柵極驅動(dòng)電壓可能會(huì )更低。
圖4.同步降壓柵極驅動(dòng)、功率轉換器和總功耗 3.2 VDD范圍內的柵極驅動(dòng)強度 之前的測試數據討論涵蓋了柵極驅動(dòng)損耗和導通損耗與驅動(dòng)器VDD工作點(diǎn)之間的權衡。柵極驅動(dòng)器在VDD工作范圍內的另一個(gè)重要方面是保持足夠的驅動(dòng)強度，尤其是在較低的VDD時(shí)。在12V VDD，UCC27282柵極驅動(dòng)器具有2.5A拉電流和3.5A灌電流的足夠驅動(dòng)強度，這是大多數100V半橋柵極驅動(dòng)器規定的工作電壓。雖然柵極驅動(dòng)強度受UCC27282上VDD電壓水平的影響，但類(lèi)似的競爭產(chǎn)品的柵極驅動(dòng)強度在較低的VDD水平時(shí)明顯更低，如圖5和圖6所示。
圖6.UCC27282和競爭產(chǎn)品峰值灌電流與VDD 在較低VDD下降低的驅動(dòng)強度導致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所示相同的測試電路和相同的工作條件，將競爭產(chǎn)品的柵極驅動(dòng)器測試數據與在相同條件下工作的UCC27282進(jìn)行比較。圖7比較了UCC27282和競爭產(chǎn)品器件之間包括柵極驅動(dòng)器和功率轉換器在內的所有損耗的效率。與競爭產(chǎn)品器件相比，可以看到在6V至10V的VDD范圍內，UCC27282柵極驅動(dòng)器轉換器效率明顯改善。
圖7.UCC27282和競爭產(chǎn)品同步降壓效率與VDD 4 UCC27282使能功能 當EN引腳低于1.21V的典型下降閾值時(shí)，UCC27282的使能功能將IC設置為非常低的IDD電流狀態(tài)并禁用驅動(dòng)器的LO和HO輸出。當處于禁用狀態(tài)時(shí)，UCC27282的ISD在VDD = 12V時(shí)典型值為7uA。當處于非開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，這比典型的上一代驅動(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驅動(dòng)器。UCC27201A的非開(kāi)關(guān)電流是許多早期100V半橋驅動(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驅動(dòng)器的典型值�？梢钥吹経CC27282禁用電流ISD遠低于UCC27201A的IQ。在VDD = 8V時(shí)，UCC27201A IQ為297uA，UCC27282 ISD為4.1uA，待機功耗為~2.4mW，而UCC27282為~33uW。在VDD = 10V時(shí)，UCC27201A IQ為389uA，而UCC27282 ISD為5.54uA，待機功耗為3.89mW和55.4uW。有關(guān)待機功耗和電流比較的詳細信息，參見(jiàn)表1。 如果最終應用需要多個(gè)驅動(dòng)器，則待機功耗的差異與所需驅動(dòng)器的數量有關(guān)。再加上精心設計的監控和偏置電路以及選擇控制器IC，UCC27282可以幫助實(shí)現極低的待機功耗。
圖8.UCC27282 IEN、ISD和UCC27201A IQ 表1.UCC27282 ISD 和 PSD與UCC27201 IQ 和 PQ
5 UCC27282輸入互鎖功能 UCC27282驅動(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的許多拓撲結構都不能容忍高側和低側MOSFET同時(shí)導通，否則可能會(huì )發(fā)生交叉導通，可能導致?lián)p壞。有許多事件可能導致電壓尖峰或振鈴超出正常觀(guān)測的特性，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致對柵極驅動(dòng)器輸入信號等關(guān)鍵控制信號的干擾。UCC27282在LO和HO輸出上升沿和下降沿之間沒(méi)有強制死區時(shí)間，因此控制器仍然可以確定時(shí)序，以實(shí)現精確的死區時(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)，對應于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 UCC27282柵極驅動(dòng)器具有多種功能，有助于在通信和數據通信模塊中實(shí)現更高水平的性能和穩健性。 利用UCC27282，VGS柵極驅動(dòng)電壓工作范圍可以擴展到更低的水平以實(shí)現最佳工作參數，實(shí)現最高效率。不同于上一代驅動(dòng)器，如果最佳工作點(diǎn)為8V或9V VDD范圍，UCC27282驅動(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。 與競爭產(chǎn)品器件相比，UCC27282在較低的VDD范圍內工作時(shí)可以保持足夠的柵極驅動(dòng)強度。這可以獲得功率轉換器效率的顯著(zhù)提升。 使能功能可將電源轉換器中每個(gè)驅動(dòng)器的待機電流降低300uA至450uA。這有助于實(shí)現非常低的待機功耗，這可成為終端設備的特征優(yōu)勢。 由于輸入互鎖功能，使用UCC27282柵極驅動(dòng)器的功率轉換器的穩健性將得到改善。對于柵極驅動(dòng)器因輸入信號電壓尖峰或噪聲的誤觸發(fā)，功率MOSFET功率級將不會(huì )有明顯的交叉傳導。 7 參考文獻 ● UCC27282 120-V Half-Bridge Driver with Cross Conduction Protection and Low Switching Losses ● CSD19531Q5A 100V N-Channel NexFET Power MOSFETs |
