【導讀】2021年3月15日－隨著5G通信與新能源車的普及，人們對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)動功率MOSFET的能力。因為功率MOSFET對柵極驅(qū)動電流有較高的要求，驅(qū)動芯片就相當于PWM開關(guān)控制芯片與功率MOSFET之間的橋梁，用來將開關(guān)信號電流和電壓放大，同時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IC，而選好驅(qū)動芯片，就需要硬件工程師對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部分采用無橋升壓拓撲，可選用一顆NSD1025同時驅(qū)動兩路開關(guān)MOSFET，LLC的原邊可用一顆半橋隔離驅(qū)動芯片NSi6602同時驅(qū)動上下橋臂MOSFET，副邊用一顆NSD1025驅(qū)動全波同步整流MOSFET。選用高速高可靠性的驅(qū)動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)動大功率負載，在硬開關(guān)以及布局限制的情況下，功率MOSFET往往會對驅(qū)動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。地彈電壓會造成驅(qū)動器輸入端等效出現(xiàn)負電壓，因為內(nèi)部等效體二極管，大多數(shù)柵極驅(qū)動器能夠承受一定的負壓脈沖。然而，亦有必要采取預(yù)防措施，以防止驅(qū)動器輸入端的過沖和欠壓尖峰過大，而對驅(qū)動芯片造成損壞，或產(chǎn)生誤動作。
驅(qū)動輸入端負壓尖峰的形成原因
仍以PFC拓撲為例，低邊驅(qū)動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)動電流，以跨過米勒平臺區(qū)域，實現(xiàn)快速打開。在開關(guān)MOSFET的時候，有一個高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)動電路中，雖然控制器和功率MOSFET使用同一個直流地平面作為參考，但一些情況下，由于驅(qū)動器和控制器有一定距離，所以總會存在寄生電感。高di/dt的電流在流經(jīng)MOSFET及其板級回路時，寄生電感存在會導致驅(qū)動器的地電位相對于控制器地電位瞬間抬升，驅(qū)動器的輸入和地之間就相當于出現(xiàn)一個瞬間負壓。在極端情況下，可能造成驅(qū)動器內(nèi)部輸入ESD器件受損，驅(qū)動器出現(xiàn)失效。
另一個常見的出現(xiàn)輸入負壓的場景與對MOSFET進行電流采樣相關(guān)。為了實現(xiàn)更精確的控制，有時在功率MOSFET和大地之間會接一個采樣電阻，用這個采樣電阻來檢測流過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)動環(huán)路足夠小，會將驅(qū)動器的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)動器的GND和控制芯片GND之間就會存在一個偏置電壓，因此控制芯片輸出低電平時，相對于驅(qū)動器的輸入端，則有一個負向的偏置電壓。
如何應(yīng)對輸入端負壓
對于寄生電感引起的輸入瞬間負壓，一般有三種應(yīng)對方案。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，瞬間負壓幅度也就會下降。但這樣處理有副作用，降低開關(guān)速度就會增加轉(zhuǎn)換時間，所以會增加開關(guān)損耗，而在一些應(yīng)用中如果對響應(yīng)時間有要求，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)，從而減小負壓峰值，這是系統(tǒng)設(shè)計中常見的方法，但需要硬件工程師有非常豐富的設(shè)計經(jīng)驗，而在一些設(shè)計條件限制下，也可能無法優(yōu)化PCB布局布線
第三種方法是選擇抗干擾能力強的器件，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，相比其他競品驅(qū)動，NSD1025更能應(yīng)對常見應(yīng)用場景的瞬態(tài)負脈沖，有更好的可靠性。
經(jīng)驗豐富的工程師通常會同時考慮三種抗擾方案，然后根據(jù)應(yīng)用約束來達到最優(yōu)選擇。但選擇抗干擾能力強的器件，無疑能為整個系統(tǒng)的設(shè)計帶來更多的容錯空間與選擇余地，所以也就成為工程師在系統(tǒng)設(shè)計時候的第一步。
除了耐受負壓能力強，NSD1025還提供欠壓鎖定功能，保持輸出低電平直到電源電壓進入工作范圍內(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)、電機控制器、線性驅(qū)動器和GaN等寬帶隙功率器件驅(qū)動等應(yīng)用場景。
在NSD1025之后，納芯微還將推出600V高低邊驅(qū)動器，以及專為GaN設(shè)計的600V高低邊驅(qū)動芯片。可為工程師在工業(yè)電源、電機驅(qū)動等應(yīng)用中的抗干擾設(shè)計，帶來更好的解決方案。
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