作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須有能力在多種限制因素之間進(jìn)行平衡——封裝大小、成本、可靠性和上市時(shí)間。關(guān)鍵挑戰(zhàn)是選擇一個(gè)適合現(xiàn)代應(yīng)用所需的狹小空間的電源。

緊湊的高性能功率級依賴快速、可靠的柵極驅(qū)動(dòng)解決方案。這類解決方案既有簡單的低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，也有適合高壓環(huán)境的全隔離版本。對于許多設(shè)計(jì)來說，浮地非隔離柵極驅(qū)動(dòng)器提供了一條有效的成功途徑。

柵極驅(qū)動(dòng)器用作中間器件，將通常來自微控制器或脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器的低功率控制信號傳遞至調(diào)節(jié)能量流的高功率開關(guān)。這類器件可確保潔凈、快速和精確的切換，從而實(shí)現(xiàn)功率輸出的優(yōu)化。

要選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器，就需要評估電壓和電流要求、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開關(guān)頻率。匹配良好的驅(qū)動(dòng)器可提供高效率、定時(shí)精確度度和熱穩(wěn)定性，這些對于高性能、緊湊型系統(tǒng)都至關(guān)重要。

半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

半橋拓?fù)涫乾F(xiàn)代電源轉(zhuǎn)換中廣泛使用的一種方法，可在緊湊型設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)壓。這種拓?fù)湟揽績蓚€(gè)高速開關(guān)器件，通常是 MOSFET 或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 來交替輸入電壓，在隔離設(shè)計(jì)中為變壓器供電，或在非隔離系統(tǒng)中直接為負(fù)載供電。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因其效率和熱優(yōu)化潛力而受到重視。

柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 在控制這些開關(guān)時(shí)不可或缺，是控制器和功率級之間的接口。該 IC 將 PWM 信號轉(zhuǎn)換為大電流驅(qū)動(dòng)信號，確保快速精確地切換高壓側(cè)和低壓側(cè)晶體管。這種快速高效的運(yùn)行方式最大限度地減少了能量損耗，提高了系統(tǒng)的整體性能。

在半橋電路中，高壓側(cè) MOSFET 的源極連接開關(guān)節(jié)點(diǎn)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)開關(guān)周期在接地 (0 V) 和輸入電壓（如 12 V、48 V 等）之間快速移動(dòng)。采用浮地非隔離柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器會隨開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓"浮動(dòng)“，從而實(shí)現(xiàn)潔凈、高效的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)不需要隔離，而又把結(jié)構(gòu)緊湊、速度和效率作為優(yōu)先考慮因素時(shí)，浮地非隔離半橋柵極驅(qū)動(dòng)器就成了理想的解決方案。這些驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)用于控制高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET 開關(guān)，既避免了隔離的復(fù)雜性，又確保了精確的開關(guān)性能。由于這種驅(qū)動(dòng)器在控制邏輯和功率級之間不提供電隔離，因此在所有組件共地的系統(tǒng)中效果最佳。

為高壓側(cè) MOSFET 生成所需的柵極驅(qū)動(dòng)電壓通常需要一個(gè)自舉電容器。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，該電容充電；當(dāng)高壓側(cè)開關(guān)開啟時(shí)，該電容供電。

當(dāng)?shù)蛪簜?cè) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)被拉至地，從而允許一個(gè)小型二極管電容電路從電源軌為自舉電容充電。當(dāng)需要開啟高壓側(cè) MOSFET 時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會利用存儲的電荷將柵極驅(qū)動(dòng)至高于開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓，通常高出 10 V 至 15 V。

設(shè)計(jì)人員必須確保低壓側(cè)開關(guān)的開啟頻率足以為自舉電容器充電。在高占空比應(yīng)用中，可能需要采取額外的預(yù)防措施，例如選擇合適的電容值、盡量減少自舉二極管上的壓降。

通過利用自舉架構(gòu)和跟蹤開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，浮地非隔離半橋驅(qū)動(dòng)器既避免了實(shí)現(xiàn)隔離的復(fù)雜性，又確保了穩(wěn)健的高壓側(cè)控制。這種驅(qū)動(dòng)器簡單高效，非常適合降壓和升壓轉(zhuǎn)換器、同步穩(wěn)壓器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和 D 類音頻放大器等高頻開關(guān)應(yīng)用。

選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器 IC

選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器，對于確保功率級的高效、可靠和安全運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是在降壓轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和太陽能發(fā)電系統(tǒng)等高速開關(guān)應(yīng)用中。雖然柵極驅(qū)動(dòng)的基本原理應(yīng)用非常廣泛，但根據(jù)系統(tǒng)要求，某些選擇標(biāo)準(zhǔn)會變得特別重要。

例如，在太陽能轉(zhuǎn)換和電池供電系統(tǒng)中，柵極驅(qū)動(dòng)器必須適應(yīng)較大的輸入電壓變化和不斷變化的負(fù)載條件。需要有足夠余量的高壓側(cè)額定電壓，以承受全電源軌波動(dòng)并確保長期可靠。

共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 是另一個(gè)主要考慮因素。快速開關(guān)事件會在高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET 之間產(chǎn)生陡峭的電壓差，從而導(dǎo)致噪聲和振鈴。具有高 CMTI 的柵極驅(qū)動(dòng)器在電噪聲環(huán)境中表現(xiàn)更穩(wěn)定。

峰值驅(qū)動(dòng)電流同樣重要，尤其是在大功率應(yīng)用中。驅(qū)動(dòng)器必須提供足夠的電流，以便快速為 MOSFET 柵極充電并克服寄生電容，從而降低開關(guān)損耗，改善熱性能。

最終，死區(qū)時(shí)間控制在半橋拓?fù)渲衅鹬P(guān)鍵作用。如果在關(guān)斷一個(gè)開關(guān)和開啟另一個(gè)開關(guān)之間沒有短暫的延遲，就會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，即兩個(gè) MOSFET 同時(shí)導(dǎo)通。許多柵極驅(qū)動(dòng)器具有內(nèi)置或可調(diào)的死區(qū)時(shí)間設(shè)置，以防止出現(xiàn)這一問題，并在不同負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)安全高效運(yùn)行。

ADI 的 LTC706x 系列

浮地非隔離半橋驅(qū)動(dòng)器簡單易用，具有高速開關(guān)功能，是許多設(shè)計(jì)的最佳解決方案。[Analog Devices, Inc. (ADI)] 提供一系列功能豐富的高壓器件，專為要求苛刻的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

ADI 的 LTC706x 浮地非隔離半橋柵極驅(qū)動(dòng)器（圖 1）為滿足高速、高電壓電源轉(zhuǎn)換的需求提供了多功能解決方案。該系列器件采用緊湊型封裝，具有嚴(yán)格的定時(shí)控制、擊穿保護(hù)和強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力，可滿足從汽車到工業(yè)控制等各種應(yīng)用的需求。

圖 1：ADI 的 LTC706x 浮地非隔離半橋驅(qū)動(dòng)器的外形尺寸。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

ADI 產(chǎn)品提供了一系列與電壓、邏輯和布局要求相匹配的選擇，有助于設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)級性能和簡易性之間進(jìn)行適當(dāng)權(quán)衡。所有器件均支持 N 溝道 MOSFET，與 P 溝道 MOSFET 相比，具有更低的導(dǎo)通電阻 (RDS ON )、更快的開關(guān)速度和更高的電流處理能力。

兩個(gè)器件支持 100 V 最高電源電壓：

• [LTC7060] 針對依賴具有三態(tài)功能的單路 PWM 輸入的系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，使其能夠僅從一條控制線就能獲得高壓側(cè)和低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)序。這簡化了數(shù)字控制器接口，減少了引腳數(shù)，適合用于空間有限的應(yīng)用。三態(tài)輸入模式還能實(shí)現(xiàn)安全的高阻抗?fàn)顟B(tài)，從而在某些故障情況下增加一層容錯(cuò)功能。對于喜歡簡潔緊湊的設(shè)計(jì)師來說，這是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
• [LTC7061] 專門用于為高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)提供獨(dú)立 CMOS 或 TTL 邏輯電平輸入的應(yīng)用。使用這種雙輸入方法，可靈活地控制定時(shí)——這在死區(qū)時(shí)間由微控制器或 PWM 控制器進(jìn)行外部管理的系統(tǒng)中尤為重要。對于需要嚴(yán)格控制開關(guān)特性或?qū)嵤┒ㄖ苹〞r(shí)策略的設(shè)計(jì)需求，LTC7061 就是一個(gè)適應(yīng)性更強(qiáng)且控制靈活的接口，支持精準(zhǔn)的性能調(diào)節(jié)。

對于輸入電壓超過 100 V 的應(yīng)用，例如工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、48 V 汽車電源軌或以太網(wǎng)供電基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計(jì)人員可以選用支持 140 V 最大電源電壓的兩個(gè)器件：

• [LTC7063] 具有一個(gè)三態(tài) PWM 輸入，允許通過單個(gè)輸入信號同時(shí)控制高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET。這種配置簡化了控制接口，因?yàn)?PWM 引腳會根據(jù)其電壓電平?jīng)Q定 MOSFET 的狀態(tài)。對于大功率應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可能更傾向于采用這種設(shè)計(jì)，因?yàn)楹喕目刂平涌凇⒏俚囊_以及在高密度印刷電路板上復(fù)雜程度最小的信號布線，都將非常有益于這些應(yīng)用。LTC7063 的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是帶有遠(yuǎn)程負(fù)載的 2:1 降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)（圖 2）。憑借最高可達(dá) 80 V 的輸入電源電壓，這種配置可將一半的輸入電壓（?V IN ）輸出至最大 5 A 的負(fù)載。

圖 2：一個(gè)使用 LTC7063 浮地非隔離半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的、帶遠(yuǎn)程負(fù)載降壓型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。(圖片來源：Analog Devices, Inc.）

• [LTC7066] 可為高壓側(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器接受獨(dú)立的 CMOS/TTL 邏輯電平輸入，為每個(gè) MOSFET 提供單獨(dú)的控制信號。這樣就能實(shí)現(xiàn)精確而靈活的控制，讓設(shè)計(jì)人員充分利用定時(shí)、死區(qū)時(shí)間和開關(guān)特性。因此，該器件非常適合采用微調(diào)數(shù)字控制功能的系統(tǒng)，如使用高性能數(shù)字控制器或 FPGA 的系統(tǒng)。

無論是在低壓還是高壓環(huán)境中工作，產(chǎn)品系列中的每個(gè)器件都包含必要的保護(hù)和調(diào)節(jié)參數(shù)，這有助于設(shè)計(jì)人員最大限度地發(fā)揮功率級的性能。

每個(gè)產(chǎn)品都具有自適應(yīng)擊穿保護(hù)功能，可防止高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET 同時(shí)導(dǎo)通。此外，每個(gè)器件都支持死區(qū)時(shí)間可調(diào)，使設(shè)計(jì)人員能夠微調(diào)開關(guān)轉(zhuǎn)換之間的延遲，從而在不影響效率的情況下最大限度地減少損耗并避免交叉導(dǎo)通。欠壓鎖定 (UVLO) 是另一項(xiàng)常見功能，用于確保柵極驅(qū)動(dòng)器僅在電源電壓處于安全閾值范圍內(nèi)時(shí)工作。

從性能角度來看，LTC706x 系列器件都具有很強(qiáng)的柵極驅(qū)動(dòng)阻抗，典型值為 1.5 Ω 上拉和 0.8 Ω 下拉。這一特性能夠?qū)崿F(xiàn)快速柵極充電和放電——對于高速應(yīng)用中的快速開關(guān)、嚴(yán)格時(shí)序控制和降低開關(guān)損耗來說至關(guān)重要。

對于傳統(tǒng)自舉方法無法滿足的高占空比應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以評估其他柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)。必須考慮每種方法在復(fù)雜性、效率和成本方面的權(quán)衡。例如，隔離柵極驅(qū)動(dòng)器利用變壓器或數(shù)字隔離器提供獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，從而無需自舉充電機(jī)制，而直接偏置電源則可提供不受開關(guān)周期影響的穩(wěn)定柵極驅(qū)動(dòng)電壓。

結(jié)語

在對速度、效率和緊湊型設(shè)計(jì)要求極高的大功率應(yīng)用中，浮地非隔離半橋柵極驅(qū)動(dòng)器為控制高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET 提供了最佳解決方案。通過利用自舉電路產(chǎn)生必要的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，這些驅(qū)動(dòng)器避免了復(fù)雜的隔離設(shè)計(jì)，同時(shí)保持了精確的開關(guān)性能。ADI 的 LTC706x 系列產(chǎn)品提供了一系列多功能解決方案，可滿足高速、高壓電源轉(zhuǎn)換的需求。