深入解析 NCP51563：高性能隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，柵極驅(qū)動(dòng)器扮演著至關(guān)重要的角色，尤其是在驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 等功率開(kāi)關(guān)時(shí)。今天，我們將深入探討 onsemi 的 NCP51563 隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器，這款產(chǎn)品憑借其卓越的性能和豐富的特性，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

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產(chǎn)品概述

NCP51563 是一款隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器，具有 4.5 - A/9 - A 的源極和灌極峰值電流。它專為快速開(kāi)關(guān)而設(shè)計(jì)，能夠高效驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 功率開(kāi)關(guān)。該驅(qū)動(dòng)器提供短且匹配的傳播延遲，并且具備 5 kVRMS 的內(nèi)部電流隔離，從輸入到每個(gè)輸出以及兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器之間的內(nèi)部功能隔離，允許高達(dá) 1850 VDC 的工作電壓。此外，ENA/DIS 引腳可根據(jù)設(shè)置同時(shí)關(guān)閉兩個(gè)輸出，還具備獨(dú)立的欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)和死區(qū)時(shí)間調(diào)整功能。

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

靈活的配置選項(xiàng)

NCP51563 支持雙低端、雙高端或半橋柵極驅(qū)動(dòng)配置，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。其 4.5 - A 峰值源電流和 9 - A 峰值灌電流輸出能力，為功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)提供了充足的動(dòng)力。

獨(dú)立的 UVLO 保護(hù)

每個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器都具備獨(dú)立的 UVLO 保護(hù)，輸出電源電壓范圍為 6.5 V 至 30 V，針對(duì) MOSFET 和 SiC 分別提供 5 - V、8 - V、13 - V 和 17 - V 的 UVLO 閾值，有效保障了驅(qū)動(dòng)器在不同電源電壓下的穩(wěn)定運(yùn)行。

高共模瞬態(tài)抗擾度

CMTI > 200 V/ns 的共模瞬態(tài)抗擾度，使得驅(qū)動(dòng)器在復(fù)雜的電磁環(huán)境中能夠保持穩(wěn)定的輸出，減少干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。

低延遲和失真

典型的 36 ns 傳播延遲以及每通道最大 5 ns 的延遲匹配和最大 5 ns 的脈沖寬度失真，確保了驅(qū)動(dòng)器能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)輸入信號(hào)，提高了系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)速度和效率。

用戶可編程功能

用戶可以通過(guò) ANB 引腳選擇單輸入或雙輸入模式，還能對(duì)死區(qū)時(shí)間進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的設(shè)計(jì)需求。

隔離與安全特性

滿足 UL1577 要求的 5 kVRMS 隔離 1 分鐘，以及 VDE0884 - 11 要求的 8000 VPK 加強(qiáng)隔離電壓，同時(shí)具備 CQC 認(rèn)證和 SGS FIMO 認(rèn)證，為系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了可靠保障。

典型應(yīng)用場(chǎng)景

NCP51563 的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了電機(jī)驅(qū)動(dòng)、DC - DC 和 AC - DC 電源中的隔離式轉(zhuǎn)換器、服務(wù)器、電信和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、UPS 和太陽(yáng)能逆變器等領(lǐng)域。其高性能和可靠性使得它成為這些應(yīng)用中的理想選擇。

電氣特性分析

電源部分

在輸入側(cè)電源（VDD）方面，靜態(tài)電流在不同輸入條件下表現(xiàn)穩(wěn)定，工作電流在 500 kHz、50% 占空比、CoUT = 100 pF 的測(cè)試條件下，典型值為 7.15 mA。同時(shí)，VDD 具備欠壓鎖定功能，正閾值典型值為 2.8 V，負(fù)閾值典型值為 2.7 V，滯回電壓典型值為 0.1 V。

在驅(qū)動(dòng)器側(cè)電源（VCCA 和 VCCB）方面，靜態(tài)電流和工作電流也因輸入條件和 UVLO 版本的不同而有所差異。不同 UVLO 版本的 VCCA 和 VCCB 欠壓鎖定閾值和滯回電壓也各有特點(diǎn)，例如 5 - V UVLO 版本的正閾值典型值為 6.0 V，負(fù)閾值典型值為 5.7 V，滯回電壓為 0.3 V。

邏輯輸入部分

INA、INB 和 ANB 引腳的輸入信號(hào)電壓范圍為 - 0.3 V 至 20 V，ENA/DIS 引腳的輸入信號(hào)電壓范圍為 - 0.3 V 至 5.5 V。對(duì)于 ENABLE 版本和 DISABLE 版本，ENA/DIS 引腳的高、低電平閾值和滯回電壓也有明確的規(guī)定。

死區(qū)時(shí)間和重疊部分

最小死區(qū)時(shí)間在 DT 引腳懸空時(shí)典型值為 10 ns，死區(qū)時(shí)間可通過(guò)外部電阻 RDT 進(jìn)行調(diào)整，例如 RDT = 20 kΩ 時(shí)，死區(qū)時(shí)間典型值為 200 ns。此外，還規(guī)定了 OUTA 和 OUTB 重疊時(shí)的 DT 閾值電壓范圍。

柵極驅(qū)動(dòng)部分

OUTA 和 OUTB 的源極和灌極峰值電流在不同測(cè)試條件下有明確的參數(shù)，輸出電阻在高電平和低電平狀態(tài)下也有相應(yīng)的典型值。高、低電平輸出電壓在負(fù)載電流為 100 mA 時(shí)也有具體的數(shù)值。

動(dòng)態(tài)電氣特性

在動(dòng)態(tài)特性方面，導(dǎo)通和關(guān)斷傳播延遲在不同電源電壓和負(fù)載電容條件下有所不同，脈沖寬度失真最大為 5 ns，通道間傳播延遲失配最大為 5 ns。上升和下降時(shí)間也受電源電壓和負(fù)載電容的影響，ENABLE 或 DISABLE 到 OUTx 的導(dǎo)通/關(guān)斷傳播延遲同樣與電源電壓有關(guān)。

保護(hù)功能詳解

欠壓鎖定保護(hù)

NCP51563 為 VDD 和 VCCA、VCCB 提供了欠壓鎖定保護(hù)功能。當(dāng) VDD 電源電壓大于指定的欠壓鎖定閾值電壓（典型值為 2.8 V），且 ENA/DIS 引腳處于相應(yīng)的高或低電平狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器才能正常運(yùn)行。同時(shí)，VCCA 和 VCCB 每個(gè)通道的電源電壓也需要大于指定的 UVLO 閾值水平，輸出才能根據(jù)輸入信號(hào)正常工作。

交叉導(dǎo)通保護(hù)

在半橋類型的死區(qū)時(shí)間（DT）控制模式下，交叉導(dǎo)通保護(hù)功能可以防止高、低端開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，避免短路故障的發(fā)生。而當(dāng) DT 引腳連接到 VDD 時(shí)，允許高、低端開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，以實(shí)現(xiàn)全拓?fù)涞撵`活性。

可編程死區(qū)時(shí)間控制

通過(guò) DT 引腳，NCP51563 提供了三種死區(qū)時(shí)間控制模式。在 MODE - A 中，當(dāng) DT 引腳懸空時(shí)，最小死區(qū)時(shí)間典型值為 10 ns，不允許兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出之間發(fā)生交叉導(dǎo)通；在 MODE - B 中，死區(qū)時(shí)間由外部電阻 RDT 控制，計(jì)算公式為 DT (in ns) = 10 × RDT (in kΩ)；在 MODE - C 中，當(dāng) DT 引腳連接到 VDD 時(shí)，允許兩個(gè)輸出之間發(fā)生重疊。

應(yīng)用信息與設(shè)計(jì)建議

電源供應(yīng)

在電源供應(yīng)方面，VCCA 和 VCCB 引腳應(yīng)使用至少為柵極電容 10 倍且不小于 100 nF 的電容進(jìn)行旁路，并且應(yīng)盡可能靠近器件放置，以實(shí)現(xiàn)去耦。建議使用 100 nF 的陶瓷表面貼裝電容和幾個(gè)微法的表面貼裝電容并聯(lián)。此外，在初始啟動(dòng)時(shí)，VCCX 從 5 - V 上升到 6 - V 的時(shí)間應(yīng)至少為 16 μs。

輸入級(jí)

NCP51563 的輸入信號(hào)引腳基于 TTL 兼容的輸入閾值邏輯，與 VDD 電源電壓無(wú)關(guān)。建議在輸入信號(hào)引腳添加 RC 濾波器，以減少系統(tǒng)噪聲和接地反彈的影響。選擇的 RIN 范圍為 0 至 100 Ω，CIN 范圍為 10 pF 至 100 pF，同時(shí)需要注意在良好的抗噪性和傳播延遲之間進(jìn)行權(quán)衡。

輸出級(jí)

輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)采用上拉和下拉結(jié)構(gòu)，上拉結(jié)構(gòu)由 PMOS 級(jí)組成，確保能夠完全拉到 VCC 軌；下拉結(jié)構(gòu)由 NMOS 器件組成。在 25°C 時(shí)，上拉和下拉開(kāi)關(guān)的輸出阻抗能夠提供約 +4.5 A 和 - 9 A 的峰值電流，在 - 40°C 時(shí)，最小灌電流和源電流分別為 - 7 A 和 +2.6 A。

驅(qū)動(dòng)電流能力考慮

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要確保峰值源電流和灌電流能力大于平均電流。可以根據(jù)公式計(jì)算所需的驅(qū)動(dòng)器電流額定值，以滿足在指定時(shí)間內(nèi)切換的最大柵極電荷需求。

柵極電阻考慮

柵極電阻的大小應(yīng)根據(jù)減少寄生電感和電容引起的振鈴電壓來(lái)選擇，但同時(shí)會(huì)限制柵極驅(qū)動(dòng)器輸出的電流能力?？梢酝ㄟ^(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算由導(dǎo)通和關(guān)斷柵極電阻引起的受限電流能力值。

輸出級(jí)負(fù)偏置應(yīng)用

對(duì)于 SiC MOSFET 的應(yīng)用，需要考慮其獨(dú)特的工作特性。為了抑制柵源驅(qū)動(dòng)電壓的振鈴，防止意外導(dǎo)通和直通故障，可以在柵極驅(qū)動(dòng)上施加負(fù)偏置。文中介紹了兩種實(shí)現(xiàn)負(fù)偏置的方法，一種是使用兩個(gè)隔離偏置電源，另一種是在隔離電源上使用齊納二極管。

PCB 布局指南

元件放置

在 PCB 布局時(shí)，應(yīng)盡量縮短輸入/輸出走線，減少寄生電感和電容的影響。避免使用過(guò)孔，以保持低信號(hào)路徑電感。電源旁路電容和柵極電阻應(yīng)盡可能靠近柵極驅(qū)動(dòng)器放置，同時(shí)將柵極驅(qū)動(dòng)器與開(kāi)關(guān)器件靠近，以減少走線電感，避免輸出振鈴。

接地考慮

在高速信號(hào)層下方設(shè)置實(shí)心接地平面，在 VSSA 和 VSSB 引腳旁邊設(shè)置實(shí)心接地平面，并使用多個(gè) VSSA 和 VSSB 過(guò)孔，以減少寄生電感，降低輸出信號(hào)的振鈴。

高壓隔離考慮

為了確保初級(jí)和次級(jí)側(cè)之間的隔離性能，不應(yīng)在驅(qū)動(dòng)器器件下方放置任何 PCB 走線或銅層。建議在 PCB 上進(jìn)行切口，以防止可能影響 NCP51563 隔離性能的污染。

總結(jié)

NCP51563 作為一款高性能的隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器，憑借其豐富的特性、出色的電氣性能和完善的保護(hù)功能，為電子工程師在功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)可靠的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇電源、輸入輸出配置和 PCB 布局，以充分發(fā)揮 NCP51563 的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。你在使用 NCP51563 或其他柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。