UCC21540-Q1 強化隔離雙通道柵極驅動器：設計與應用指南

在電子設計領域，柵極驅動器是連接控制電路和功率晶體管的關鍵組件，它對于快速切換功率晶體管、降低開關功率損耗起著至關重要的作用。今天，我們就來深入探討一款功能強大的柵極驅動器——UCC21540-Q1。

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一、UCC21540-Q1 概述

UCC21540-Q1 是一款經過 AEC Q100 認證的強化隔離雙通道柵極驅動器，具有可編程死區(qū)時間和寬溫度范圍的特點。它能在 -40°C 至 150°C 的結溫范圍內保持穩(wěn)定性能，適用于各種惡劣的工作環(huán)境。其輸出驅動電源最高可達 18V，還提供 5V 和 8V 的 VDD 欠壓鎖定（UVLO）選項，共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）大于 125V/ns，能有效抵抗共模干擾。在開關參數(shù)方面，典型傳播延遲為 33ns，最大脈沖寬度失真為 6ns，最大 VDD 上電延遲為 10μs，這些優(yōu)秀的性能指標使其在眾多應用場景中脫穎而出。

二、產品特性

（一）認證與安全

• AEC Q100 認證：符合汽車級標準，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，適用于汽車電子等對安全性要求極高的領域。
• 功能安全質量管理：提供相關文檔，有助于設計功能安全系統(tǒng)，為工程師在設計安全關鍵應用時提供了有力的支持。

（二）電氣性能

• 寬溫度范圍：能在 -40°C 至 150°C 的結溫范圍內正常工作，適應各種惡劣的環(huán)境條件，確保設備在不同溫度下都能穩(wěn)定運行。
• 高輸出驅動能力：輸出驅動電源最高可達 18V，具備 4A 峰值源電流和 6A 峰值灌電流，能夠輕松驅動功率 MOSFET、IGBT 和 GaN 晶體管等多種功率器件。
• 高 CMTI：CMTI 大于 125V/ns，能有效抵抗共模瞬態(tài)干擾，保證信號傳輸?shù)臏蚀_性和穩(wěn)定性，減少誤操作的發(fā)生。

（三）保護特性

• 可編程死區(qū)時間：通過在 DT 引腳和 GND 之間連接一個電阻 (R{DT})，可以根據(jù)公式 (t{DT} approx 10 × R_{DT}) 來調整死區(qū)時間，有效防止半橋應用中的直通現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的安全性。
• 禁用功能：當 DIS 引腳置高時，兩個輸出將同時關閉，方便工程師在需要時對驅動器進行控制和保護。
• 欠壓鎖定（UVLO）：對輸入和輸出電源都具有 UVLO 保護功能，當電源電壓低于設定的閾值時，輸出將被鎖定為低電平，避免設備在異常電壓下工作，延長設備的使用壽命。

三、應用領域

UCC21540-Q1 的靈活性和高性能使其在眾多領域都有廣泛的應用，包括混合動力汽車（HEV）和電動汽車（EV）電池充電器、AC - DC 和 DC - DC 電源中的隔離式轉換器、電機驅動器和逆變器以及不間斷電源（UPS）等。這些應用場景對設備的可靠性、效率和安全性要求極高，UCC21540-Q1 憑借其優(yōu)秀的性能能夠很好地滿足這些需求。

四、引腳配置與功能

（一）引腳功能概述

UCC21540-Q1 采用 14 引腳 SOIC 封裝（DWK），各引腳具有不同的功能。輸入引腳 INA 和 INB 用于接收控制信號，輸出引腳 OUTA 和 OUTB 連接到功率晶體管的柵極，為其提供驅動信號。VCCI 為初級側電源引腳，VDDA 和 VDDB 為次級側電源引腳，GND 為初級側接地引腳，VSSA 和 VSSB 為次級側接地引腳。DIS 引腳用于禁用兩個輸出，DT 引腳用于可編程死區(qū)時間控制。

（二）關鍵引腳注意事項

• DIS 引腳：當不使用該引腳時，建議將其接地，以提高噪聲免疫力。如果需要連接到微控制器，建議在 DIS 引腳附近使用一個約 1nF 的低 ESR/ESL 電容進行旁路，以減少干擾。
• DT 引腳：當不需要使用死區(qū)時間功能時，將 DT 引腳連接到 VCCI；如果需要設置死區(qū)時間，則在 DT 引腳和 GND 之間連接一個電阻 (R_{DT})，并在 DT 引腳附近使用一個 ≤1nF 的陶瓷電容進行旁路，以提高噪聲免疫力。同時，不建議將 DT 引腳浮空，以免影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

五、技術規(guī)格

（一）絕對最大額定值

了解設備的絕對最大額定值對于確保設備的安全運行至關重要。例如，輸入偏置引腳電源電壓（VCCI 到 GND）的范圍為 -0.3V 至 20V，驅動器偏置電源（VDDA - VSSA、VDDB - VSSB）的范圍為 -0.3V 至 30V 等。在設計過程中，必須確保設備的工作電壓和電流不超過這些額定值，否則可能會導致設備永久性損壞。

（二）ESD 評級

該設備的人體模型（HBM）靜電放電評級為 ±2000V，帶電設備模型（CDM）評級為 ±1000V，這表明設備具有一定的抗靜電能力。但在實際操作中，仍然需要采取適當?shù)撵o電防護措施，如佩戴防靜電手套、使用防靜電工作臺等，以防止靜電對設備造成損害。

（三）推薦工作條件

推薦的輸入電源電壓（VCCI）為 3V 至 5.5V，輸出偏置電源電壓（VDDA/VDDB）范圍為 6.0V 至 18V。在設計電源電路時，應確保電源電壓在推薦范圍內，以保證設備的正常工作。同時，要注意電源的穩(wěn)定性和紋波，避免因電源波動而影響設備的性能。

六、典型應用設計

以 UCC21540-Q1 驅動 650V MOSFET 在高低側配置中的應用為例，我們來詳細介紹一下設計過程。

（一）設計要求

在這個應用中，我們需要使用 650V、150 - mΩ (R{DS_ON}) 且 (V{GS}) 為 12V 的功率晶體管，VCC 為 5.0V，VDD 為 12V，輸入信號幅度為 3.3V，開關頻率為 100kHz，死區(qū)時間為 200ns，直流母線電壓為 400V。

（二）詳細設計步驟

1. INA/INB 輸入濾波器設計：為了過濾非理想布局或長 PCB 走線引入的振鈴，可使用一個 (R{IN}-C{IN}) 輸入濾波器。推薦 (R{IN}) 在 0Ω 至 100Ω 之間，(C{IN}) 在 10pF 至 100pF 之間。在本示例中，選擇 (R{IN}=51Ω) 和 (C{IN}=33pF)，其轉折頻率約為 100MHz。在選擇這些組件時，要注意在良好的噪聲免疫力和傳播延遲之間進行權衡。
2. 死區(qū)時間電阻和電容選擇：根據(jù)公式 (t{DT} approx 10 × R{DT})，選擇一個 20kΩ 的電阻來設置 200ns 的死區(qū)時間，并在 DT 引腳附近并聯(lián)一個 ≤1nF 的電容以提高噪聲免疫力。
3. 外部自舉二極管和串聯(lián)電阻選擇：自舉電容在每個周期內通過外部自舉二極管由 VDD 充電，因此需要選擇高壓、快速恢復且正向壓降小、結電容低的二極管，以減少反向恢復損耗和接地噪聲反彈。在本示例中，由于直流母線電壓為 400V，選擇 600V 的超快二極管 MURA160T3G。同時，使用一個 2.7Ω 的限流電阻 (R_{BOOT}) 來限制自舉二極管的浪涌電流和 VDDA - VSSA 電壓的上升斜率。
4. 柵極驅動器輸出電阻選擇：外部柵極驅動器電阻 (R{ON}/R{OFF}) 用于限制寄生電感/電容引起的振鈴、高壓/大電流開關 (dv/dt)、(di/dt) 和體二極管反向恢復引起的振鈴，微調柵極驅動強度以優(yōu)化開關損耗，并減少電磁干擾（EMI）?？梢愿鶕?jù)相關公式計算峰值源電流和峰值灌電流，同時要注意 PCB 布局和負載電容對峰值電流的影響，盡量減小柵極驅動回路的長度，以降低寄生電感的影響。
5. 柵源電阻選擇：推薦在柵極和源極之間連接一個電阻 (R_{GS})，其阻值通常在 5.1kΩ 至 20kΩ 之間，用于在柵極驅動器輸出無電源且處于不確定狀態(tài)時將柵極電壓拉低，同時減輕米勒電流引起的 (dv/dt) 導通風險。
6. 柵極驅動器功率損耗估算：柵極驅動器子系統(tǒng)的總損耗 (P{G}) 包括 UCC21540 - Q1 的功率損耗 (P{GD}) 和外圍電路的功率損耗。(P{GD}) 可以通過計算靜態(tài)功率損耗 (P{GDQ}) 和開關操作損耗 (P{GDO}) 來估算。在本示例中，通過測量和計算得到 (P{GD}) 約為 127mW。
7. 結溫估算：可以使用公式 (T{J}=T{C}+Psi{JT} × P{GD}) 來估算 UCC21540 - Q1 的結溫。其中 (T{J}) 為結溫，(T{C}) 為通過熱電偶或其他儀器測量得到的 UCC21540 - Q1 管殼頂部溫度，(Psi{JT}) 為結到頂部的特性參數(shù)。使用 (Psi{JT}) 可以大大提高結溫估算的準確性。
8. VCCI、VDDA/B 電容選擇：為了實現(xiàn)可靠的性能，需要為 VCCI、VDDA 和 VDDB 選擇旁路電容。推薦選擇低 ESR 和低 ESL 的表面貼裝多層陶瓷電容（MLCC），并注意 DC 偏置對 MLCC 實際電容值的影響。對于 VCCI 電容，推薦使用一個 25V、電容值超過 100nF 的 MLCC；如果偏置電源輸出與 VCCI 引腳距離較遠，可并聯(lián)一個電容值超過 1μF 的鉭電容或電解電容。對于 VDDA 電容（自舉電容），需要根據(jù)總電荷需求和電壓紋波來選擇合適的電容值，并留一定的余量。在本示例中，選擇一個 50V、1μF 的電容，并并聯(lián)一個 100nF 的 X7R 陶瓷電容以優(yōu)化瞬態(tài)性能。對于 VDDB 電容，根據(jù)通道 B 的電流需求，選擇一個 50V、10μF 的 MLCC 和一個 50V、220nF 的 MLCC。

七、布局注意事項

（一）組件放置

將低 ESR 和低 ESL 電容靠近設備放置在 VCCI 和 GND 引腳之間以及 VDD 和 VSS 引腳之間，以支持外部功率晶體管開啟時的高峰值電流。在橋接配置中，要盡量減小頂部晶體管源極和底部晶體管源極之間的寄生電感，以避免開關節(jié)點 VSSA（HS）引腳出現(xiàn)大的負瞬變。當從遠處的微控制器或高阻抗源驅動 DIS 引腳時，建議在 DIS 引腳和 GND 之間添加一個 ≥1000pF 的小旁路電容；如果使用死區(qū)時間功能，將編程電阻 (R_{DT}) 和旁路電容靠近 DT 引腳放置，以防止噪聲意外耦合到內部死區(qū)時間電路。

（二）接地

將充電和放電晶體管柵極的高峰值電流限制在最小的物理環(huán)路面積內，以降低環(huán)路電感，減少晶體管柵極端子上的噪聲。柵極驅動器應盡可能靠近晶體管放置，以減小寄生電感的影響。同時，要注意高電流路徑，包括自舉電容、自舉二極管、本地 VSSB 參考旁路電容和低側晶體管體/反并聯(lián)二極管，盡量減小這些環(huán)路在電路板上的長度和面積，以確保可靠的操作。

（三）高壓考慮

為了確保初級側和次級側之間的隔離性能，避免在驅動器設備下方放置任何 PCB 走線或銅箔，建議使用 PCB 切口以防止可能影響隔離性能的污染。在半橋或高低側配置中，要最大化 PCB 布局中高低側 PCB 走線之間的間隙距離，以提高耐壓能力。

（四）散熱

如果驅動電壓高、負載重或開關頻率高，UCC21540 - Q1 可能會消耗大量功率。合理的 PCB 布局有助于將熱量從設備散發(fā)到 PCB 上，并最小化結到板的熱阻（θJB）。建議增加連接到 VDDA、VDDB、VSSA 和 VSSB 引腳的 PCB 銅箔面積，優(yōu)先考慮最大化與 VSSA 和 VSSB 的連接。如果系統(tǒng)有多層電路板，還可以通過多個合適尺寸的過孔將 VDDA、VDDB、VSSA 和 VSSB 引腳連接到內部接地或電源平面，但要確保不同高壓平面的走線或銅箔不重疊。

八、總結

UCC21540 - Q1 作為一款功能強大的強化隔離雙通道柵極驅動器，具有眾多優(yōu)秀的特性和廣泛的應用前景。通過合理的設計和布局，可以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，滿足各種應用場景的需求。在實際設計過程中，工程師們需要根據(jù)具體的應用要求，仔細選擇組件參數(shù)，注意布局細節(jié)，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時，要不斷關注器件的技術規(guī)格和應用指南的更新，以便更好地應對各種挑戰(zhàn)。大家在實際應用中有沒有遇到過什么問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。