onsemi NCP51313高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器：高效電源設(shè)計(jì)的理想之選

在當(dāng)今追求高效和緊湊的電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高側(cè)驅(qū)動(dòng)器的性能至關(guān)重要。onsemi的NCP51313高側(cè)驅(qū)動(dòng)器憑借其出色的特性，成為了DC - DC電源和逆變器設(shè)計(jì)的有力候選者。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款驅(qū)動(dòng)器。

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產(chǎn)品概述

NCP51313是一款耐壓達(dá)130V的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器，具備2.0A的源電流和3.0A的灌電流驅(qū)動(dòng)能力，專為DC - DC電源和逆變器設(shè)計(jì)。它在高頻運(yùn)行時(shí)具有出色的傳播延遲、低靜態(tài)電流和低開關(guān)電流，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的高頻電源設(shè)計(jì)。該驅(qū)動(dòng)器有NCP51313A和NCP51313B兩個(gè)版本，NCP51313A典型傳播延遲為50ns，NCP51313B則低至20ns，采用標(biāo)準(zhǔn)的SO8封裝。

典型應(yīng)用原理圖

特性亮點(diǎn)

輸入兼容性強(qiáng)

NCP51313的輸入引腳IN兼容TTL和CMOS邏輯，能接收來(lái)自模擬或數(shù)字PWM控制器、邏輯門的3.3V或5V邏輯信號(hào)。輸入引腳帶有施密特觸發(fā)器，典型滯回電壓為0.7V，可有效避免噪聲引起的邏輯錯(cuò)誤，具備良好的抗噪能力。此外，當(dāng)輸入引腳浮空時(shí)，輸出（HO）會(huì)保持低電平，輸入引腳內(nèi)部有下拉電阻，可在引腳懸空或由開漏信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)確定其邏輯值。而且，輸入引腳能承受一定的負(fù)電壓（在絕對(duì)最大額定值范圍內(nèi)），這使得可以使用變壓器作為輸入脈沖的隔離屏障。不過(guò)，NCP51313A和NCP51313B在輸入濾波方面有所不同，NCP51313A有噪聲抑制功能，可確保短于30ns的脈沖干擾不會(huì)改變HO電平，而NCP51313B的輸入級(jí)則沒(méi)有此類濾波器。大家在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)具體的噪聲環(huán)境來(lái)選擇合適的型號(hào)，你覺(jué)得在高噪聲環(huán)境下，NCP51313A是不是更有優(yōu)勢(shì)呢？

欠壓鎖定保護(hù)

該驅(qū)動(dòng)器具備欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能，UVLO電路能確保有足夠的電源電壓（$V{CC}$和$V{B}$）來(lái)正確偏置驅(qū)動(dòng)電路，保證外部MOSFET的柵極在最佳電壓下驅(qū)動(dòng)。當(dāng)$V{CC}$或$V{B}$低于UVLO電壓時(shí)，高側(cè)驅(qū)動(dòng)器輸出（HO）保持低電平。$V{CC}$和$V{B}$的UVLO電路都有滯回特性，可避免電源地噪聲引起的錯(cuò)誤，確保在偏置電壓小幅下降時(shí)仍能持續(xù)工作。這一特性對(duì)于保證驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，你在設(shè)計(jì)電路時(shí)，有沒(méi)有充分考慮過(guò)欠壓保護(hù)的問(wèn)題呢？

輸出能力出色

NCP51313采用浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，輸出級(jí)具有2.0A的源電流和3.0A的灌電流能力，通常能在11ns內(nèi)對(duì)1nF負(fù)載充電，在10ns內(nèi)放電。不過(guò)，在充放電過(guò)程中，$C{GS}$的充放電路徑存在寄生電感，可能導(dǎo)致偏置電壓$V{B}$出現(xiàn)小幅度下降。如果$V_{B}$降至UVLO以下，電源可能會(huì)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器。所以，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要注意盡量減小寄生電感的影響，你有什么減小寄生電感的好方法嗎？

傳播延遲短

NCP51313在輸入和輸出之間具有業(yè)界領(lǐng)先的傳播延遲。NCP51313A典型傳播延遲為50ns，NCP51313B由于沒(méi)有輸入濾波器，傳播延遲更短，僅為20ns。這種短傳播延遲特性使該驅(qū)動(dòng)器適合高頻操作，并且允許100%占空比運(yùn)行。在使用100%直流驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要一個(gè)浮動(dòng)源為浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)器供電。對(duì)于高頻電源設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，短傳播延遲可以提高效率，你在高頻設(shè)計(jì)中，對(duì)傳播延遲的要求一般是多少呢？

負(fù)瞬態(tài)抗擾性

在HB開關(guān)應(yīng)用中，由于寄生電感和感性負(fù)載，HB節(jié)點(diǎn)在開關(guān)操作期間常被拉至地以下，這些負(fù)尖峰可能導(dǎo)致電路故障或損壞。NCP51313在負(fù)電壓條件下的工作能力通過(guò)NTI測(cè)試體現(xiàn)，其抗負(fù)尖峰能力由曲線表示，該曲線顯示了在特定脈沖寬度下驅(qū)動(dòng)器仍能正常工作的負(fù)電壓水平。但即便如此，在應(yīng)用電路設(shè)計(jì)中，還是要通過(guò)精心的PCB布局和合適的元件選擇，盡量消除或限制VB引腳的負(fù)瞬態(tài)電壓。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中，遇到過(guò)負(fù)瞬態(tài)電壓的問(wèn)題嗎？是如何解決的呢？

元件選擇要點(diǎn)

自舉電容$C_{boot}$

NCP51313的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)自舉電路提供偏置，自舉電容$C{boot}$的選擇至關(guān)重要。$C{boot}$只有在HB降至地電平才充電，其值過(guò)低可能導(dǎo)致偏置電壓$V{B}$下降。若$V{B}$低于UVLO電平，電源可能關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器。在計(jì)算$C{boot}$值時(shí)，要考慮MOSFET的等效柵極電荷$Q{g}$、自舉靜態(tài)電流$I{B2}$、HO導(dǎo)通時(shí)間$t{discharge}$和允許的紋波電壓$V{ripple}$等因素。為應(yīng)對(duì)柵極電荷和電壓隨溫度的變化，建議選擇較大的$C{boot}$值。同時(shí)，如果沒(méi)有初始充電開關(guān)，可能需要額外的啟動(dòng)電路來(lái)確保高側(cè)驅(qū)動(dòng)器正常啟動(dòng)。你在選擇$C_{boot}$時(shí)，是按照怎樣的步驟進(jìn)行計(jì)算的呢？

自舉電阻$R_{boot}$

為保證$C{boot}$再次充電，需在$V{CC}$線到VB引腳的外部二極管串聯(lián)一個(gè)電阻$R{boot}$，以減少$V{CC}$線的電流峰值。$R{boot}$值的選擇對(duì)高側(cè)驅(qū)動(dòng)器的正常工作至關(guān)重要，值過(guò)小會(huì)從$V{CC}$線汲取大電流峰值，過(guò)大則$C{boot}$無(wú)法充到合適電平，可能觸發(fā)內(nèi)部UVLO保護(hù)使驅(qū)動(dòng)器禁用。$R{boot}$的計(jì)算要考慮$C{boot}$的充電時(shí)間、最大充電電壓、初始電壓和目標(biāo)電壓等因素，并且其值會(huì)隨溫度和電壓變化。在啟動(dòng)和跳周期操作時(shí)，由于起始電壓不同，充電時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，因此可能需要適當(dāng)減小$R{boot}$值。你在實(shí)際應(yīng)用中，有沒(méi)有遇到過(guò)$R_{boot}$值選擇不當(dāng)導(dǎo)致的問(wèn)題呢？

$V_{CC}$電容

$V{CC}$電容值應(yīng)至少為$C{boot}$的10倍，以保證電源的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)$C{boot}$的值合理選擇$V{CC}$電容。你在選擇$V{CC}$電容時(shí)，有沒(méi)有考慮過(guò)與$C{boot}$的匹配關(guān)系呢？

IN引腳輸入濾波器

對(duì)于NCP51313的IN引腳PWM連接，RC濾波器可濾除高頻輸入噪聲，特別是對(duì)于沒(méi)有內(nèi)部濾波器的NCP51313B版本，該濾波器更為重要。推薦的$R{IN}$值為100Ω，$C{IN}$值為120pF。你在設(shè)計(jì)中，有沒(méi)有使用過(guò)這種RC濾波器來(lái)改善輸入信號(hào)質(zhì)量呢？

柵極電阻$R_{gate}$

$R{gate}$用于限制柵極電容充放電時(shí)的峰值電流，有助于抑制寄生電感引起的振鈴，降低HB引腳的dV/dt至安全水平，減少EMI輻射。但$R{gate}$值過(guò)高會(huì)增加MOSFET的功率損耗，降低效率。建議先從較大值開始評(píng)估，在確保所有條件下工作安全后再減小阻值。同時(shí)，在某些應(yīng)用中，可通過(guò)增加$R{snk}$和$D{snk}$來(lái)實(shí)現(xiàn)柵極電容充放電的分離路徑。你在選擇$R_{gate}$時(shí)，是如何平衡電流限制和功率損耗的呢？

功率損耗計(jì)算

NCP51313的總功率損耗包括邏輯部分、驅(qū)動(dòng)器、電平轉(zhuǎn)換器和高電壓引腳泄漏等部分的損耗。邏輯部分的功率損耗可根據(jù)特定頻率下的電流消耗計(jì)算；驅(qū)動(dòng)器的功率損耗與MOSFET的總柵極電荷、自舉電壓和開關(guān)頻率有關(guān)；電平轉(zhuǎn)換器的功率損耗受直流母線電壓、自舉電壓、開關(guān)頻率和傳輸能量等因素影響；高電壓引腳泄漏功率損耗與直流母線電壓、自舉電壓和占空比有關(guān)。通過(guò)合理計(jì)算和分析功率損耗，可以評(píng)估驅(qū)動(dòng)器在不同工作條件下的性能，為散熱設(shè)計(jì)提供依據(jù)。你在進(jìn)行功率損耗計(jì)算時(shí)，有沒(méi)有遇到過(guò)計(jì)算不準(zhǔn)確的情況呢？是如何解決的呢？

封裝尺寸與焊接

NCP51313采用SOIC - 8 NB CASE 751 - 07封裝，文檔中詳細(xì)給出了封裝的尺寸信息，包括毫米和英寸兩種單位的最小、最大值。在焊接方面，要參考o(jì)nsemi的焊接和安裝技術(shù)參考手冊(cè)（SOLDERRM/D），確保焊接質(zhì)量。良好的焊接工藝對(duì)于保證驅(qū)動(dòng)器的性能和可靠性至關(guān)重要，你在焊接過(guò)程中，有什么特別的注意事項(xiàng)嗎？

總的來(lái)說(shuō)，onsemi的NCP51313高側(cè)驅(qū)動(dòng)器憑借其豐富的特性和優(yōu)良的性能，在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。但在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，仔細(xì)選擇元件參數(shù)，合理考慮功率損耗和散熱問(wèn)題，以充分發(fā)揮該驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)。你在使用類似驅(qū)動(dòng)器時(shí)，有什么獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)和技巧嗎？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。