【導(dǎo)讀】2021年3月15日－隨著5G通信與新能源車的普及，人們對(duì)高效率電源的需求越來越多。而提升電源轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素就在于開關(guān)電源中的功率部分。
許多高性能、高頻率的PWM控制芯片，無(wú)論是數(shù)字類型還是模擬類型，都不具備或只有有限的直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的能力。因?yàn)楣β蔒OSFET對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電流有較高的要求，驅(qū)動(dòng)芯片就相當(dāng)于PWM開關(guān)控制芯片與功率MOSFET之間的橋梁，用來將開關(guān)信號(hào)電流和電壓放大，同時(shí)具備一定的故障隔離能力。一旦確定了選用某種開關(guān)電源方案后，接下來就要選擇合適的驅(qū)動(dòng)IC，而選好驅(qū)動(dòng)芯片，就需要硬件工程師對(duì)電路特性有一定的了解。
以典型的AC/DC開關(guān)電源系統(tǒng)為例，PFC部分采用無(wú)橋升壓拓?fù)洌蛇x用一顆NSD1025同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路開關(guān)MOSFET，LLC的原邊可用一顆半橋隔離驅(qū)動(dòng)芯片NSi6602同時(shí)驅(qū)動(dòng)上下橋臂MOSFET，副邊用一顆NSD1025驅(qū)動(dòng)全波同步整流MOSFET。選用高速高可靠性的驅(qū)動(dòng)IC，可以幫助電源系統(tǒng)提升效率和功率密度。
由于開關(guān)電源經(jīng)常需要硬開關(guān)驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載，在硬開關(guān)以及布局限制的情況下，功率MOSFET往往會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片的輸入和輸出端形成較大的地彈電壓和振蕩尖峰電壓。地彈電壓會(huì)造成驅(qū)動(dòng)器輸入端等效出現(xiàn)負(fù)電壓，因?yàn)閮?nèi)部等效體二極管，大多數(shù)柵極驅(qū)動(dòng)器能夠承受一定的負(fù)壓脈沖。然而，亦有必要采取預(yù)防措施，以防止驅(qū)動(dòng)器輸入端的過沖和欠壓尖峰過大，而對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片造成損壞，或產(chǎn)生誤動(dòng)作。
驅(qū)動(dòng)輸入端負(fù)壓尖峰的形成原因
仍以PFC拓?fù)錇槔?，低邊?qū)動(dòng)器用在控制芯片與功率MOSFET之間，以幫助減小開關(guān)損耗,并為MOSFET提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，以跨過米勒平臺(tái)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)快速打開。在開關(guān)MOSFET的時(shí)候，有一個(gè)高di/dt的脈沖產(chǎn)生，這種快速變化與寄生電感共同作用，產(chǎn)生了負(fù)電壓峰值，可以用Vn = Lss* di/dt公式估算。Lss代表寄生電感。寄生電感值約等于功率MOSFET的內(nèi)部鍵合線和PCB回線接地回路中的電感量之和，其值可以從幾nH至十幾nH不等，寄生電感大小主要取決于PCB布局布線。
從上面等式可以看出，負(fù)向電壓與寄生電感和電流變化率均成正比。在典型的低邊柵極驅(qū)動(dòng)電路中，雖然控制器和功率MOSFET使用同一個(gè)直流地平面作為參考，但一些情況下，由于驅(qū)動(dòng)器和控制器有一定距離，所以總會(huì)存在寄生電感。高di/dt的電流在流經(jīng)MOSFET及其板級(jí)回路時(shí)，寄生電感存在會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器的地電位相對(duì)于控制器地電位瞬間抬升，驅(qū)動(dòng)器的輸入和地之間就相當(dāng)于出現(xiàn)一個(gè)瞬間負(fù)壓。在極端情況下，可能造成驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部輸入ESD器件受損，驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)失效。
另一個(gè)常見的出現(xiàn)輸入負(fù)壓的場(chǎng)景與對(duì)MOSFET進(jìn)行電流采樣相關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)更精確的控制，有時(shí)在功率MOSFET和大地之間會(huì)接一個(gè)采樣電阻，用這個(gè)采樣電阻來檢測(cè)流過MOSFET的電流，從而使控制器能快速做出響應(yīng)。而為了使MOSFET的驅(qū)動(dòng)環(huán)路足夠小，會(huì)將驅(qū)動(dòng)器的GND引腳與MOSFET的源極連接在一起，而控制芯片的GND與真正的地平面在一起，這樣驅(qū)動(dòng)器的GND和控制芯片GND之間就會(huì)存在一個(gè)偏置電壓，因此控制芯片輸出低電平時(shí)，相對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的輸入端，則有一個(gè)負(fù)向的偏置電壓。
如何應(yīng)對(duì)輸入端負(fù)壓
對(duì)于寄生電感引起的輸入瞬間負(fù)壓，一般有三種應(yīng)對(duì)方案。首先，可以通過減小開關(guān)速度來降低影響，減小開關(guān)速度能降低電流變化速率di/dt，瞬間負(fù)壓幅度也就會(huì)下降。但這樣處理有副作用，降低開關(guān)速度就會(huì)增加轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以會(huì)增加開關(guān)損耗，而在一些應(yīng)用中如果對(duì)響應(yīng)時(shí)間有要求，降低開關(guān)速度的方法就未必適合。
第二種方法是盡可能優(yōu)化PCB布局布線，減小寄生參數(shù)，從而減小負(fù)壓峰值，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常見的方法，但需要硬件工程師有非常豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而在一些設(shè)計(jì)條件限制下，也可能無(wú)法優(yōu)化PCB布局布線
第三種方法是選擇抗干擾能力強(qiáng)的器件，例如納芯微電子新推出的同相雙通道高速柵極驅(qū)動(dòng)器NSD1025。NSD1025通過優(yōu)化輸入端的ESD結(jié)構(gòu)，能夠承受最大-10V的輸入電壓，相比其他競(jìng)品驅(qū)動(dòng)，NSD1025更能應(yīng)對(duì)常見應(yīng)用場(chǎng)景的瞬態(tài)負(fù)脈沖，有更好的可靠性。
經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師通常會(huì)同時(shí)考慮三種抗擾方案，然后根據(jù)應(yīng)用約束來達(dá)到最優(yōu)選擇。但選擇抗干擾能力強(qiáng)的器件，無(wú)疑能為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來更多的容錯(cuò)空間與選擇余地，所以也就成為工程師在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)候的第一步。
除了耐受負(fù)壓能力強(qiáng)，NSD1025還提供欠壓鎖定功能，保持輸出低電平直到電源電壓進(jìn)入工作范圍內(nèi)，而高低閾值之間的遲滯功能也提供了更出色的抗干擾能力。非常適合電源系統(tǒng)、電機(jī)控制器、線性驅(qū)動(dòng)器和GaN等寬帶隙功率器件驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用場(chǎng)景。
在NSD1025之后，納芯微還將推出600V高低邊驅(qū)動(dòng)器，以及專為GaN設(shè)計(jì)的600V高低邊驅(qū)動(dòng)芯片。可為工程師在工業(yè)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用中的抗干擾設(shè)計(jì)，帶來更好的解決方案。
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