深入解析 NCP51563：高性能隔離式雙通道柵極驅動器

在電子設計領域，柵極驅動器扮演著至關重要的角色，尤其是在驅動功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 等功率開關時。今天，我們將深入探討 onsemi 的 NCP51563 隔離式雙通道柵極驅動器，這款產品憑借其卓越的性能和豐富的特性，在眾多應用場景中展現出強大的競爭力。

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產品概述

NCP51563 是一款隔離式雙通道柵極驅動器，具有 4.5 - A/9 - A 的源極和灌極峰值電流。它專為快速開關而設計，能夠高效驅動功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 功率開關。該驅動器提供短且匹配的傳播延遲，并且具備 5 kVRMS 的內部電流隔離，從輸入到每個輸出以及兩個輸出驅動器之間的內部功能隔離，允許高達 1850 VDC 的工作電壓。此外，ENA/DIS 引腳可根據設置同時關閉兩個輸出，還具備獨立的欠壓鎖定（UVLO）保護和死區(qū)時間調整功能。

產品特性亮點

靈活的配置選項

NCP51563 支持雙低端、雙高端或半橋柵極驅動配置，能夠滿足不同應用場景的需求。其 4.5 - A 峰值源電流和 9 - A 峰值灌電流輸出能力，為功率開關的驅動提供了充足的動力。

獨立的 UVLO 保護

每個輸出驅動器都具備獨立的 UVLO 保護，輸出電源電壓范圍為 6.5 V 至 30 V，針對 MOSFET 和 SiC 分別提供 5 - V、8 - V、13 - V 和 17 - V 的 UVLO 閾值，有效保障了驅動器在不同電源電壓下的穩(wěn)定運行。

高共模瞬態(tài)抗擾度

CMTI > 200 V/ns 的共模瞬態(tài)抗擾度，使得驅動器在復雜的電磁環(huán)境中能夠保持穩(wěn)定的輸出，減少干擾對系統的影響。

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，確保了驅動器能夠快速、準確地響應輸入信號，提高了系統的開關速度和效率。

用戶可編程功能

用戶可以通過 ANB 引腳選擇單輸入或雙輸入模式，還能對死區(qū)時間進行編程，實現個性化的設計需求。

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 加強隔離電壓，同時具備 CQC 認證和 SGS FIMO 認證，為系統的安全運行提供了可靠保障。

典型應用場景

NCP51563 的應用范圍十分廣泛，涵蓋了電機驅動、DC - DC 和 AC - DC 電源中的隔離式轉換器、服務器、電信和工業(yè)基礎設施、UPS 和太陽能逆變器等領域。其高性能和可靠性使得它成為這些應用中的理想選擇。

電氣特性分析

電源部分

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

在驅動器側電源（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，例如 5 - V UVLO 版本的正閾值典型值為 6.0 V，負閾值典型值為 5.7 V，滯回電壓為 0.3 V。

邏輯輸入部分

INA、INB 和 ANB 引腳的輸入信號電壓范圍為 - 0.3 V 至 20 V，ENA/DIS 引腳的輸入信號電壓范圍為 - 0.3 V 至 5.5 V。對于 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)時間和重疊部分

最小死區(qū)時間在 DT 引腳懸空時典型值為 10 ns，死區(qū)時間可通過外部電阻 RDT 進行調整，例如 RDT = 20 kΩ 時，死區(qū)時間典型值為 200 ns。此外，還規(guī)定了 OUTA 和 OUTB 重疊時的 DT 閾值電壓范圍。

柵極驅動部分

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

動態(tài)電氣特性

在動態(tài)特性方面，導通和關斷傳播延遲在不同電源電壓和負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。上升和下降時間也受電源電壓和負載電容的影響，ENABLE 或 DISABLE 到 OUTx 的導通/關斷傳播延遲同樣與電源電壓有關。

保護功能詳解

欠壓鎖定保護

NCP51563 為 VDD 和 VCCA、VCCB 提供了欠壓鎖定保護功能。當 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 引腳處于相應的高或低電平狀態(tài)時，驅動器才能正常運行。同時，VCCA 和 VCCB 每個通道的電源電壓也需要大于指定的 UVLO 閾值水平，輸出才能根據輸入信號正常工作。

交叉導通保護

在半橋類型的死區(qū)時間（DT）控制模式下，交叉導通保護功能可以防止高、低端開關同時導通，避免短路故障的發(fā)生。而當 DT 引腳連接到 VDD 時，允許高、低端開關同時導通，以實現全拓撲的靈活性。

可編程死區(qū)時間控制

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

應用信息與設計建議

電源供應

在電源供應方面，VCCA 和 VCCB 引腳應使用至少為柵極電容 10 倍且不小于 100 nF 的電容進行旁路，并且應盡可能靠近器件放置，以實現去耦。建議使用 100 nF 的陶瓷表面貼裝電容和幾個微法的表面貼裝電容并聯。此外，在初始啟動時，VCCX 從 5 - V 上升到 6 - V 的時間應至少為 16 μs。

輸入級

NCP51563 的輸入信號引腳基于 TTL 兼容的輸入閾值邏輯，與 VDD 電源電壓無關。建議在輸入信號引腳添加 RC 濾波器，以減少系統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，同時需要注意在良好的抗噪性和傳播延遲之間進行權衡。

輸出級

輸出驅動器級采用上拉和下拉結構，上拉結構由 PMOS 級組成，確保能夠完全拉到 VCC 軌；下拉結構由 NMOS 器件組成。在 25°C 時，上拉和下拉開關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，最小灌電流和源電流分別為 - 7 A 和 +2.6 A。

驅動電流能力考慮

在設計過程中，需要確保峰值源電流和灌電流能力大于平均電流。可以根據公式計算所需的驅動器電流額定值，以滿足在指定時間內切換的最大柵極電荷需求。

柵極電阻考慮

柵極電阻的大小應根據減少寄生電感和電容引起的振鈴電壓來選擇，但同時會限制柵極驅動器輸出的電流能力?？梢酝ㄟ^相應的公式計算由導通和關斷柵極電阻引起的受限電流能力值。

輸出級負偏置應用

對于 SiC MOSFET 的應用，需要考慮其獨特的工作特性。為了抑制柵源驅動電壓的振鈴，防止意外導通和直通故障，可以在柵極驅動上施加負偏置。文中介紹了兩種實現負偏置的方法，一種是使用兩個隔離偏置電源，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，應盡量縮短輸入/輸出走線，減少寄生電感和電容的影響。避免使用過孔，以保持低信號路徑電感。電源旁路電容和柵極電阻應盡可能靠近柵極驅動器放置，同時將柵極驅動器與開關器件靠近，以減少走線電感，避免輸出振鈴。

接地考慮

在高速信號層下方設置實心接地平面，在 VSSA 和 VSSB 引腳旁邊設置實心接地平面，并使用多個 VSSA 和 VSSB 過孔，以減少寄生電感，降低輸出信號的振鈴。

高壓隔離考慮

為了確保初級和次級側之間的隔離性能，不應在驅動器器件下方放置任何 PCB 走線或銅層。建議在 PCB 上進行切口，以防止可能影響 NCP51563 隔離性能的污染。

總結

NCP51563 作為一款高性能的隔離式雙通道柵極驅動器，憑借其豐富的特性、出色的電氣性能和完善的保護功能，為電子工程師在功率開關驅動設計中提供了一個可靠的選擇。在實際應用中，工程師需要根據具體的設計需求，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，實現系統的高效、穩(wěn)定運行。你在使用 NCP51563 或其他柵極驅動器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。