UCC27302A：高性能半橋驅(qū)動器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用解析

在電子工程師的日常工作中，選擇合適的驅(qū)動器對于電路設(shè)計(jì)的成功至關(guān)重要。今天我們就來深入探討一款高性能的半橋驅(qū)動器——UCC27302A，看看它在實(shí)際設(shè)計(jì)中能為我們帶來哪些便利和優(yōu)勢。

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一、UCC27302A 概述

UCC27302A 是一款專為驅(qū)動半橋或同步降壓配置中的兩個 N 溝道 MOSFET 而設(shè)計(jì)的堅(jiān)固型柵極驅(qū)動器。它具有諸多出色的特性，使其在眾多應(yīng)用場景中都能表現(xiàn)出色。

1.1 主要特性

• 寬溫度范圍：工作結(jié)溫范圍為 -40°C 至 +150°C，能適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境。
• 高電壓承受能力：HB 引腳的絕對最大電壓可達(dá) 120V，可滿足高電壓應(yīng)用的需求。
• 大電流驅(qū)動能力：具備 3.7A 的源電流和 4.5A 的灌電流，能夠驅(qū)動大型功率 MOSFET，同時在米勒平臺過渡期間將開關(guān)損耗降至最低。
• 寬工作電壓范圍：VDD 工作范圍為 7V 至 17V（絕對最大 20V），并帶有欠壓鎖定（UVLO）功能，確保在不同電壓條件下穩(wěn)定工作。
• 出色的開關(guān)參數(shù)：典型傳播延遲時間為 20ns，1000pF 負(fù)載下的上升時間為 7.2ns，下降時間為 5.5ns，典型延遲匹配為 4ns，能實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的開關(guān)動作。
• 集成功能：集成了自舉二極管、輸入互鎖功能，部分封裝（DRC）還具備使能/禁用功能，且禁用時典型電流消耗僅 3μA。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

UCC27302A 的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了太陽能功率優(yōu)化器和微型逆變器、電信和商用電源、在線和離線 UPS、儲能系統(tǒng)以及電池測試設(shè)備等領(lǐng)域。

二、引腳配置與功能

UCC27302A 有多種封裝形式，包括 DDA（PowerPAD? SOIC，8 引腳）、D（SOIC，8 引腳）和 DRC（VSON，10 引腳）。不同封裝的引腳配置略有差異，但主要功能引腳基本相同。

2.1 主要引腳功能

• EN（僅 DRC 封裝）：使能輸入引腳。當(dāng)該引腳拉高時，驅(qū)動器啟用；若浮空或拉低，則驅(qū)動器禁用。建議在敏感應(yīng)用中從 EN 到 VSS 放置一個 1 - 10nF 的濾波電容，以提高抗噪聲能力。
• HB：高端自舉電源引腳。內(nèi)部集成了自舉二極管，但需要外部自舉電容。自舉電容的正極連接到該引腳，典型旁路電容范圍為 0.022μF 至 0.1μF。
• HI 和 LI：分別為高端和低端輸入引腳，可直接連接到低阻抗源信號（100Ω）。若源阻抗大于 100Ω，需在 HI 到 VSS、LI 到 VSS 之間添加旁路電容，電容值通常為 1nF 至 10nF。
• HO 和 LO：分別為高端和低端輸出引腳，連接到高端和低端功率 MOSFET 的柵極。
• HS：高端源極連接引腳，連接到高端功率 MOSFET 的源極，同時自舉電容的負(fù)極也連接到該引腳。
• VDD：低端柵極驅(qū)動器的正電源引腳，需通過 0.22μF 至 4.7μF 的電容與 VSS（地）去耦。
• VSS：器件的負(fù)電源端子，通常接地。

三、規(guī)格參數(shù)詳解

3.1 絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于確保其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。UCC27302A 的一些關(guān)鍵絕對最大額定值包括：

• VDD：電源電壓范圍為 -0.3V 至 20V。
• 輸入電壓（HI、LI、EN）：范圍為 -10V 至 20V。
• 輸出電壓（LO、HO）：在不同條件下有相應(yīng)的限制，如 LO 的 DC 輸出電壓范圍為 -0.3V 至 VDD + 0.3V。
• HS 引腳電壓：DC 電壓范圍為 -1V 至 120V，重復(fù)脈沖（<100ns）時最低可達(dá) -(28 - VDD)V。

3.2 ESD 額定值

UCC27302A 具有較好的靜電放電（ESD）防護(hù)能力，人體模型（HBM）為 ±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為 ±1500V。

3.3 推薦工作條件

為了使器件發(fā)揮最佳性能，建議在以下條件下工作：

• VDD：電源電壓范圍為 7V 至 17V。
• HS 引腳電壓：范圍為 -1V 至 105V。
• HB 引腳電壓：根據(jù)不同情況有所不同，一般為 VHS + 8 至 VHS + 17V，最大為 115V。

3.4 熱信息

不同封裝的 UCC27302A 具有不同的熱性能指標(biāo)，如結(jié)到環(huán)境的熱阻（RθJA）、結(jié)到外殼（頂部）的熱阻（RθJC(top)）等。在設(shè)計(jì)時，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景選擇合適的封裝，以確保器件在工作過程中能夠有效散熱。

3.5 電氣特性

在典型工作條件下（VDD = VHB = 12V，VHS = VSS = 0V，無負(fù)載，TA = TJ = -40°C 至 +150°C），UCC27302A 具有一系列電氣特性參數(shù)，如電源電流、輸入閾值電壓、輸出電壓等。這些參數(shù)對于電路設(shè)計(jì)和性能評估非常重要。

3.6 開關(guān)特性

UCC27302A 的開關(guān)特性表現(xiàn)出色，包括傳播延遲、延遲匹配、輸出上升和下降時間等。例如，典型傳播延遲時間為 20ns，能有效減少脈沖失真，允許在高頻下工作。

四、詳細(xì)功能描述

4.1 輸入級與互鎖

兩個輸入（HI 和 LI）獨(dú)立工作，但當(dāng)兩個輸入同時為高或重疊時，兩個輸出（HO 和 LO）將被拉低，實(shí)現(xiàn)輸入互鎖或交叉導(dǎo)通保護(hù)，避免直通現(xiàn)象，提高系統(tǒng)安全性。輸入為 TTL 邏輯兼容，也可與 CMOS 類型控制信號配合使用，且能承受負(fù)電壓，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。

4.2 使能功能（僅 DRC 封裝）

DRC 封裝的器件具有使能（EN）引腳。當(dāng) EN 引腳電壓高于閾值時，輸出有效；若浮空或拉低至地，則輸出保持低電平。內(nèi)置的 80kΩ 電阻將 EN 引腳拉至 VSS，因此浮空 EN 引腳可禁用器件。在噪聲敏感應(yīng)用中，建議在 EN 引腳和 VSS 引腳之間添加 1nF 至 10nF 的濾波電容。

4.3 欠壓鎖定（UVLO）

高端和低端驅(qū)動器級均包含 UVLO 保護(hù)電路，分別監(jiān)測電源電壓（VDD）和自舉電容電壓（VHB - VHS）。在電源電壓不足時，UVLO 電路會抑制輸出，直到有足夠的電壓來開啟外部 MOSFET。內(nèi)置的 UVLO 遲滯功能可防止在電源電壓變化時出現(xiàn)抖動。

4.4 電平轉(zhuǎn)換

電平轉(zhuǎn)換電路是從以 VSS 為參考的高端輸入信號到以開關(guān)節(jié)點(diǎn)（HS 引腳）為參考的高端驅(qū)動器級的接口。該電路引入的延遲盡可能低，從而使器件具有出色的傳播延遲特性和與低端驅(qū)動器輸出的延遲匹配能力，減少功率級的死區(qū)時間，提高效率。

4.5 自舉二極管

UCC27302A 集成了自舉二極管，其陽極連接到 VDD，陰極連接到 VHB。通過將 VHB 電容連接到 HB 和 HS 引腳，在每次開關(guān)周期中，當(dāng) HS 過渡到地時，VHB 電容的電荷會得到刷新。自舉二極管具有快速恢復(fù)時間、低二極管電阻和電壓額定裕量，確保高效可靠的運(yùn)行。

4.6 輸出級

輸出級是與功率 MOSFET 的接口，具有高轉(zhuǎn)換速率、低電阻和高峰值電流能力，能夠?qū)崿F(xiàn)功率 MOSFET 的高效開關(guān)。低端輸出級以 VDD 到 VSS 為參考，高端輸出級以 VHB 到 VHS 為參考。

4.7 負(fù)電壓瞬變處理

在某些情況下，HS 節(jié)點(diǎn)可能會出現(xiàn)負(fù)電壓瞬變。只要不違反規(guī)格要求，UCC27302A 的 HS 引腳允許低于地電位。在設(shè)計(jì)時，需要確保 HB 到 HS 的工作電壓在推薦范圍內(nèi)，必要時可在 HO 和 HS 或 LO 和 VSS 之間放置肖特基二極管以保護(hù)器件。同時，從 HB 到 HS 和從 VDD 到 VSS 的低 ESR 旁路電容對于器件的正常運(yùn)行至關(guān)重要。

五、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 應(yīng)用信息

在功率器件的驅(qū)動中，柵極驅(qū)動器起著關(guān)鍵作用。它可以實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和緩沖驅(qū)動功能，減少開關(guān)功率損耗，提高系統(tǒng)效率。特別是在數(shù)字電源應(yīng)用中，數(shù)字控制器輸出的 3.3V 邏輯信號無法直接有效驅(qū)動功率開關(guān)，需要柵極驅(qū)動器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

5.2 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

以一個典型應(yīng)用為例，介紹 UCC27302A 的設(shè)計(jì)過程：

• 設(shè)計(jì)要求：確定電源電壓 VDD 為 12V，HS 引腳電壓范圍為 0V 至 100V，HB 引腳電壓范圍為 12V 至 112V，輸出電流額定值為 -4.5A 至 3.7A，工作頻率為 500kHz。
• 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟：
  • 輸入閾值類型：UCC27302A 具有 -10V 至 20V 的輸入絕對最大電壓范圍，且 TTL 兼容輸入閾值邏輯具有寬遲滯，可與多種控制器輸出信號兼容。
  • VDD 偏置電源電壓：VDD 引腳的偏置電源電壓應(yīng)在 7V 至 17V 范圍內(nèi)，以滿足不同功率開關(guān)的驅(qū)動需求。
  • 峰值源電流和灌電流：為了實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)和減少開關(guān)損耗，柵極驅(qū)動器需要提供足夠的峰值電流。UCC27302A 能夠提供 3.7A 的峰值源電流和 4.5A 的峰值灌電流，滿足大多數(shù)功率 MOSFET 的驅(qū)動要求。同時，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要注意 PCB 布線的寄生電感對開關(guān)速度的影響，應(yīng)盡量減小寄生電感。
  • 傳播延遲：UCC27302A 的典型傳播延遲時間為 20ns，可確保在高頻應(yīng)用中脈沖失真小，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。
  • 功率損耗：功率損耗包括直流部分和開關(guān)部分。UCC27302A 具有低靜態(tài)電流，可有效降低直流部分的功率損耗。開關(guān)部分的功率損耗與功率器件的柵極電荷、開關(guān)頻率和外部柵極電阻有關(guān)。

5.3 電源供應(yīng)建議

UCC27302A 的推薦工作電源電壓范圍為 7V 至 17V，VDD 引腳的 UVLO 保護(hù)功能可確保在電源電壓不足時輸出保持低電平。為了保證器件的穩(wěn)定運(yùn)行，需要在 VDD 和 GND 引腳之間添加 0.22μF 至 4.7μF 的低 ESR 陶瓷表面貼裝電容進(jìn)行去耦，同時在 HB 和 HS 引腳之間添加 0.022μF 至 0.1μF 的局部去耦電容。

5.4 布局設(shè)計(jì)

合理的布局設(shè)計(jì)對于提高電路的性能和可靠性至關(guān)重要。以下是一些布局設(shè)計(jì)的要點(diǎn)：

• 靠近 MOSFET：將驅(qū)動器盡可能靠近 MOSFET 放置，以減小寄生電感和電阻，提高開關(guān)速度。
• 合理放置電容：將 VDD - VSS 和 VHB - VHS（自舉）電容盡可能靠近器件放置，確保去耦效果。
• 注意 GND 走線：GND 走線應(yīng)直接連接到 MOSFET 的源極，但不能處于 MOSFET 漏極或源極的高電流路徑中。
• 避免干擾：避免 LI 和 HI 輸入靠近 HS 節(jié)點(diǎn)或其他高 dV/dt 走線，以免引入噪聲。

綜上所述，UCC27302A 是一款性能卓越的半橋驅(qū)動器，具有多種出色的特性和功能，適用于眾多應(yīng)用場景。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分了解其規(guī)格參數(shù)和功能特點(diǎn)，遵循合理的設(shè)計(jì)原則和布局要點(diǎn)，以確保電路的性能和可靠性。你在使用 UCC27302A 或其他驅(qū)動器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。