探索NCV51313：高效高側(cè)柵極驅(qū)動器的卓越之選

在現(xiàn)代電源設(shè)計領(lǐng)域，高側(cè)柵極驅(qū)動器扮演著至關(guān)重要的角色。它們不僅要實現(xiàn)緩沖和電平轉(zhuǎn)換的功能，還要在高頻操作下保持高效和穩(wěn)定。今天，我們就來深入探討安森美（onsemi）推出的一款優(yōu)秀的高側(cè)柵極驅(qū)動器——NCV51313。

文件下載：onsemi NCV51313高側(cè)柵極驅(qū)動器.pdf

一、NCV51313概述

NCV51313是一款專為DC - DC電源和逆變器設(shè)計的130V高側(cè)驅(qū)動器。在追求電源緊湊化和高效化的當下，高頻操作成為了電源設(shè)計的趨勢，但這也給驅(qū)動器帶來了更高的損耗挑戰(zhàn)。而NCV51313憑借其出色的性能脫穎而出，它具有一流的傳播延遲、低靜態(tài)電流和低開關(guān)電流，能夠助力高頻高效電源的實現(xiàn)。

該驅(qū)動器有NCV51313A和NCV51313B兩個版本。NCV51313A的典型傳播延遲為50ns，而NCV51313B更短，僅為20ns。這種短傳播延遲使得它非常適合高頻操作，能夠有效提高電源的效率和響應(yīng)速度。

典型應(yīng)用原理圖

內(nèi)部方框圖

二、關(guān)鍵特性剖析

（一）輸入級特性

1. 兼容性：NCV51313的輸入級與TTL和CMOS邏輯兼容，這意味著它可以輕松接受來自模擬或數(shù)字PWM控制器或邏輯門的3.3V或5V邏輯信號，大大增強了其在不同應(yīng)用場景中的適用性。
2. 抗干擾能力：輸入引腳配備了施密特觸發(fā)器，其典型滯后值為0.7V，能夠有效避免噪聲引起的邏輯錯誤，確保了良好的抗干擾能力。
3. 浮動輸入處理：當輸入引腳處于浮動狀態(tài)時，輸出（HO）會保持低電平。同時，輸入引腳內(nèi)部有下拉電阻，當引腳懸空或由開漏信號驅(qū)動時，能明確其邏輯值。
4. 負電壓耐受性：輸入引腳能夠耐受低于GND引腳電平的負電壓，只要在絕對最大額定值范圍內(nèi)即可。這一特性使得它可以使用變壓器作為輸入脈沖的隔離屏障。
5. 噪聲過濾功能：NCV51313A具有噪聲抑制功能，通常能確保短于30ns的脈沖干擾不會改變HO電平；而NCV51313B的輸入級則沒有此類濾波器。

（二）欠壓鎖定（UVLO）保護

NCV51313具備欠壓鎖定保護功能。UVLO電路的作用是確保有足夠的電源電壓（$V{CC}$和$V{B}$）來正確偏置驅(qū)動電路，保證外部MOSFET的柵極在最佳電壓下驅(qū)動。當$V{CC}$或$V{B}$低于UVLO電壓時，高側(cè)驅(qū)動器輸出（HO）保持低電平。而且，$V{CC}$和$V{B}$的UVLO電路都帶有滯后特性，這不僅可以避免電源中接地噪聲引起的錯誤，還能在偏置電壓小幅下降時確保設(shè)備持續(xù)運行。

（三）輸出級特性

1. 驅(qū)動能力：輸出級具有2.0A的源電流和3.0A的灌電流能力，能夠在11ns內(nèi)有效為1nF負載充電，在10ns內(nèi)放電，展現(xiàn)出強大的驅(qū)動能力。
2. 充放電路徑：當輸入級接收到邏輯高電平時，$Q{source}$導(dǎo)通，$V{B}$通過$R{g}$為$C{GS}$充電，使外部功率MOSFET導(dǎo)通；當接收到邏輯低電平時，$Q{source}$關(guān)斷，$Q{sink}$導(dǎo)通，為柵極端子提供放電路徑。不過，$C{GS}$的充放電路徑中存在寄生電感，可能會導(dǎo)致$V{B}$出現(xiàn)小幅下降，若$V_{B}$降至UVLO以下，電源可能會關(guān)閉設(shè)備。

（四）短傳播延遲優(yōu)勢

NCV51313在輸入和輸出之間具有行業(yè)領(lǐng)先的傳播延遲。NCV51313A的典型傳播延遲為50ns，而NCV51313B由于沒有輸入濾波器，傳播延遲更短，僅為20ns。這種短傳播延遲使得它非常適合高頻操作，并且允許100%占空比運行，不過在100%直流條件下使用時，需要有浮動源為浮動驅(qū)動器供電。

（五）負瞬態(tài)抗擾度（NTI）

在HB開關(guān)應(yīng)用中，由于寄生電感和感性負載的影響，HB節(jié)點在開關(guān)操作期間常被拉至地以下，這些負尖峰可能導(dǎo)致電路故障或損壞。NCV51313在負電壓條件下的工作能力通過NTI測試進行評估，測試結(jié)果表明它對負尖峰具有一定的魯棒性。但需要注意的是，在應(yīng)用電路設(shè)計中，仍應(yīng)通過精心的PCB布局和合適的元件選擇，盡可能消除或限制$V_{B}$引腳上的負瞬態(tài)電壓。

三、元件選擇要點

（一）$C_{boot}$電容值計算

NCV51313的高側(cè)驅(qū)動器通過自舉電路供電，自舉電容$C{boot}$的選擇至關(guān)重要。$C{boot}$值過低可能導(dǎo)致$V{B}$偏置電壓下降，若降至UVLO以下，電源可能會關(guān)閉驅(qū)動器。在計算$C{boot}$值時，需要考慮MOSFET的柵極電荷$Q{g}$、浮動驅(qū)動器的電流消耗$I{B2}$、開關(guān)周期等因素。一般建議使用較大的值，以應(yīng)對柵極電荷和電壓隨溫度的變化。

（二）$R_{boot}$電阻值計算

為了給$C{boot}$充電，需要在$V{CC}$線到$V{B}$引腳之間連接外部二極管，并串聯(lián)一個電阻$R{boot}$來降低電流峰值。$R{boot}$的阻值選擇對高側(cè)驅(qū)動器的正常工作至關(guān)重要，阻值過小會從$V{CC}$線汲取高電流峰值，過大則會導(dǎo)致電容無法充到合適的電平，使高側(cè)驅(qū)動器被內(nèi)部UVLO保護禁用。

（三）$v_{CC}$電容選擇

$v{CC}$電容值應(yīng)至少為$C{boot}$值的十倍，以確保電源的穩(wěn)定性。

（四）IN引腳輸入濾波器

對于NCV51313的IN引腳PWM連接，RC濾波器可以幫助濾除高頻輸入噪聲，特別是對于沒有內(nèi)部濾波器的NCV51313B版本。推薦的$R{IN}$值為100Ω，$C{IN}$值為120pF。

（五）$R_{gate}$選擇

$R_{gate}$的作用是限制柵極電容充放電期間的峰值柵極電流，抑制寄生電感引起的振鈴，降低HB引腳的dV/dt到安全水平，并衰減EMI輻射。不過，電阻值過高會增加MOSFET的功率損耗，降低效率。建議先使用較高的電阻值進行評估，在確保所有條件下運行安全的情況下再降低阻值。

四、總功率耗散計算

NCV51313的總功率耗散是各部分耗散之和，包括器件（除驅(qū)動器外）的功率損耗、驅(qū)動器的功率損耗、電平轉(zhuǎn)換器的功率損耗、高側(cè)泄漏功率損耗等。通過合理的元件選擇和電路設(shè)計，可以有效降低總功率耗散，提高電源的效率。

五、封裝尺寸

NCV51313有DFNW6 3x3和標準SO8兩種封裝形式。不同的封裝在尺寸、散熱等方面有所差異，工程師在設(shè)計時需要根據(jù)實際應(yīng)用場景選擇合適的封裝。

六、總結(jié)與思考

NCV51313憑借其出色的性能和豐富的特性，為DC - DC電源和逆變器設(shè)計提供了一個優(yōu)秀的解決方案。它的短傳播延遲、低靜態(tài)電流和開關(guān)電流、良好的抗干擾能力等特點，使得它在高頻高效電源設(shè)計中具有很大的優(yōu)勢。然而，在實際應(yīng)用中，元件的選擇和電路的設(shè)計需要仔細考慮，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運行和性能優(yōu)化。

作為電子工程師，我們在使用NCV51313時，需要思考如何根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇元件參數(shù)，優(yōu)化電路布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。同時，也要關(guān)注負瞬態(tài)電壓等潛在問題，通過合理的設(shè)計來避免電路故障。你在使用類似高側(cè)柵極驅(qū)動器時，遇到過哪些挑戰(zhàn)和問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。