UCC20225-Q1和UCC20225A-Q1：汽車48V系統(tǒng)隔離式雙路柵極驅(qū)動器的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，為各種應(yīng)用選擇合適的柵極驅(qū)動器是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的UCC20225-Q1和UCC20225A-Q1，這兩款隔離式雙路柵極驅(qū)動器專為汽車48V系統(tǒng)量身打造，具有眾多出色的特性和廣泛的應(yīng)用前景。

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特性亮點(diǎn)

高可靠性認(rèn)證

UCC20225-Q1和UCC20225A-Q1通過了AEC Q100認(rèn)證，具備設(shè)備溫度等級1、H2級人體模型（HBM）靜電放電（ESD）分類以及C6級帶電器件模型（CDM）ESD分類。這意味著它們能夠在嚴(yán)苛的汽車環(huán)境中穩(wěn)定工作，有效抵御靜電干擾，為系統(tǒng)的可靠性提供了堅(jiān)實(shí)保障。

單輸入雙輸出設(shè)計(jì)

采用單PWM輸入、雙輸出的架構(gòu)，這種設(shè)計(jì)不僅簡化了電路布局，還能實(shí)現(xiàn)高效的功率傳輸。同時(shí)，其電阻可編程死區(qū)時(shí)間功能，讓工程師可以根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整死區(qū)時(shí)間，優(yōu)化電路性能。

強(qiáng)大的輸出能力

具備4A峰值源電流和6A峰值灌電流輸出，能夠?yàn)楣β示w管提供足夠的驅(qū)動能力。此外，其共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）大于100V/ns，可有效抑制共模干擾，確保信號的穩(wěn)定傳輸。

出色的開關(guān)參數(shù)

典型傳播延遲僅為19ns，最大延遲匹配為5ns，最大脈沖寬度失真為6ns。這些優(yōu)秀的開關(guān)參數(shù)使得驅(qū)動器能夠快速響應(yīng)輸入信號，減少開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率。

寬電壓范圍

輸入VCCI范圍為3V至18V，VDD最高可達(dá)25V，并提供5V和8V的欠壓鎖定（UVLO）選項(xiàng)。寬電壓范圍的設(shè)計(jì)使得驅(qū)動器能夠適應(yīng)不同的電源電壓，增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容性和靈活性。

抗干擾能力強(qiáng)

能夠拒絕短于5ns的輸入瞬變，輸入與TTL和CMOS兼容，進(jìn)一步提高了驅(qū)動器的抗干擾能力和信號處理能力。

緊湊封裝與安全認(rèn)證

采用5mm x 5mm的節(jié)省空間型LGA-13封裝，便于在有限的空間內(nèi)進(jìn)行布局。同時(shí)，還具備多項(xiàng)安全相關(guān)認(rèn)證，如VDE V 0884-11:2017的3535-VPK隔離、UL 1577的2500-VRMS隔離1分鐘以及GB4943.1-2011的CQC認(rèn)證，為系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了可靠保障。

應(yīng)用領(lǐng)域

UCC20225-Q1和UCC20225A-Q1適用于多種汽車應(yīng)用，特別是汽車外部音頻放大器和汽車48V系統(tǒng)。在這些應(yīng)用中，驅(qū)動器能夠?yàn)楣β示w管提供高效、穩(wěn)定的驅(qū)動，確保系統(tǒng)的性能和可靠性。

詳細(xì)描述

功能概述

控制器在驅(qū)動功率晶體管時(shí)，往往無法提供足夠的電流。為了快速切換功率晶體管并減少開關(guān)損耗，高電流柵極驅(qū)動器應(yīng)運(yùn)而生。UCC20225-Q1系列就是這樣一款靈活的雙路柵極驅(qū)動器，它可以配置為適應(yīng)各種電源和電機(jī)驅(qū)動拓?fù)?，還能驅(qū)動多種類型的晶體管，如SiC MOSFET。

功能框圖

從功能框圖可以看出，該驅(qū)動器具有PWM輸入、UVLO保護(hù)、死區(qū)控制和功能隔離等模塊。這些模塊協(xié)同工作，確保驅(qū)動器能夠穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

特性描述

VDD、VCCI和欠壓鎖定（UVLO）

驅(qū)動器的VDD和VCCI引腳都具備內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能。當(dāng)VDD偏置電壓低于啟動閾值或啟動后低于關(guān)斷閾值時(shí)，VDD UVLO功能會將受影響的輸出拉低。同樣，輸入側(cè)的VCCI也有UVLO保護(hù)，確保只有當(dāng)VCCI電壓超過啟動閾值時(shí)，設(shè)備才會激活。此外，UVLO保護(hù)還具有滯后特性，可防止電源噪聲引起的抖動，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

輸入和輸出邏輯表

通過輸入和輸出邏輯表，我們可以清晰地了解驅(qū)動器在不同輸入條件下的輸出狀態(tài)。例如，當(dāng)PWM輸入為低或懸空，DISABLE引腳為低或懸空時(shí)，OUTA輸出為低，OUTB輸出為高。

輸入級

輸入引腳（PWM和DIS）基于TTL和CMOS兼容的輸入閾值邏輯，與VDD電源電壓完全隔離。典型的高閾值為1.8V，低閾值為1V，且受溫度影響較小。寬滯后（0.8V）設(shè)計(jì)使得驅(qū)動器具有良好的抗噪聲能力和穩(wěn)定的運(yùn)行性能。

輸出級

輸出級采用了上拉結(jié)構(gòu)，在功率開關(guān)導(dǎo)通的米勒平臺區(qū)域能提供最高的峰值源電流。上拉結(jié)構(gòu)由P溝道MOSFET和一個(gè)額外的N溝道MOSFET并聯(lián)組成，N溝道MOSFET在輸出狀態(tài)從低到高轉(zhuǎn)換時(shí)短暫開啟，提供峰值源電流的短暫提升，實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)通。下拉結(jié)構(gòu)則由N溝道MOSFET組成。兩個(gè)輸出都能提供4A峰值源電流和6A峰值灌電流脈沖，輸出電壓在VDD和VSS之間擺動，實(shí)現(xiàn)軌到軌操作。

二極管結(jié)構(gòu)

驅(qū)動器的ESD保護(hù)組件中包含多個(gè)二極管，這些二極管為設(shè)備的絕對最大額定值提供了圖形化表示，有助于工程師在設(shè)計(jì)時(shí)確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

設(shè)備功能模式

禁用引腳

將DISABLE引腳置高可同時(shí)關(guān)閉兩個(gè)輸出，將其接地或懸空則允許驅(qū)動器正常工作。DISABLE響應(yīng)時(shí)間在20ns左右，與傳播延遲相當(dāng)，響應(yīng)迅速。建議在不使用DISABLE引腳時(shí)將其接地，以提高抗噪聲能力。

可編程死區(qū)時(shí)間（DT）引腳

用戶可以通過以下方式調(diào)整死區(qū)時(shí)間：

• 將DT引腳連接到VCC：此時(shí)OUTA和OUTB之間的死區(qū)時(shí)間功能被禁用，兩個(gè)輸出通道之間的死區(qū)時(shí)間約為0ns。
• DT引腳懸空或連接到DT和GND引腳之間的編程電阻：如果DT引腳懸空，死區(qū)時(shí)間持續(xù)時(shí)間設(shè)置為<15ns，但不建議在嘈雜環(huán)境中這樣做?？梢酝ㄟ^在DT引腳和GND之間放置一個(gè)電阻RDT來編程死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間tDT（ns）≈ 10 × RDT（kΩ）。建議在DT引腳附近并聯(lián)一個(gè)2.2nF或更大的陶瓷電容，以提高抗噪聲能力和兩個(gè)通道之間的死區(qū)時(shí)間匹配度，特別是當(dāng)死區(qū)時(shí)間大于300ns時(shí)。

應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用信息

UCC20225-Q1系列有效地結(jié)合了隔離和緩沖驅(qū)動功能，其靈活、通用的特性使其可作為MOSFET、IGBT或SiC MOSFET的低端、高端、高端/低端或半橋驅(qū)動器。集成組件、先進(jìn)的保護(hù)功能（UVLO、死區(qū)時(shí)間和禁用功能）以及優(yōu)化的開關(guān)性能，使得工程師能夠?yàn)槠髽I(yè)、電信、汽車和工業(yè)應(yīng)用構(gòu)建更小、更強(qiáng)大的設(shè)計(jì)，并且縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

典型應(yīng)用

以UCC20225-Q1驅(qū)動典型半橋配置為例，該電路可用于多種流行的功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，如同步降壓、同步升壓、半?全橋隔離拓?fù)浜腿嚯姍C(jī)驅(qū)動應(yīng)用。

設(shè)計(jì)要求

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 設(shè)計(jì)PWM輸入濾波器：建議使用一個(gè)小的輸入RIN - CIN濾波器來過濾非理想布局或長PCB走線引入的振鈴。RIN范圍為0Ω至100Ω，CIN為10pF至100pF。在示例中，選擇RIN = 51Ω和CIN = 33pF，拐角頻率約為100MHz。在選擇這些組件時(shí)，需要注意良好的抗噪聲能力和傳播延遲之間的權(quán)衡。
• 選擇外部自舉二極管及其串聯(lián)電阻：自舉電容在低側(cè)晶體管導(dǎo)通時(shí)由VDD通過外部自舉二極管充電。充電過程涉及高峰值電流，因此自舉二極管中的瞬態(tài)功率損耗可能較大。建議選擇高壓、快速恢復(fù)二極管或低正向電壓降和低結(jié)電容的SiC肖特基二極管，以最小化反向恢復(fù)引入的損耗和相關(guān)的接地噪聲反彈。在示例中，選擇600V超快二極管MURA160T3G。自舉電阻RBOOT用于減少D_BOOT中的浪涌電流，并限制每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)VDDA - VSSA電壓的上升斜率。在示例中，選擇2.7Ω的限流電阻來限制自舉二極管的浪涌電流。
• 柵極驅(qū)動器輸出電阻：外部柵極驅(qū)動器電阻RON / ROFF用于限制寄生電感/電容和高電壓/電流開關(guān)dv/dt、di/dt以及體二極管反向恢復(fù)引起的振鈴，微調(diào)柵極驅(qū)動強(qiáng)度以優(yōu)化開關(guān)損耗，并減少電磁干擾（EMI）。通過計(jì)算可以估計(jì)高側(cè)和低側(cè)的峰值源電流和峰值灌電流，但實(shí)際的峰值電流還會受到PCB布局和負(fù)載電容的影響。建議盡量減小柵極驅(qū)動器環(huán)路的長度，以降低寄生電感的影響。
• 估計(jì)柵極驅(qū)動器功率損耗：柵極驅(qū)動器子系統(tǒng)的總損耗PG包括UCC20225-Q1系列的功率損耗PGD和外圍電路的功率損耗。PGD是決定UCC20225-Q1系列熱安全相關(guān)限制的關(guān)鍵功率損耗，可以通過計(jì)算幾個(gè)組件的損耗來估計(jì)。在不同的情況下，如線性上拉/下拉電阻和非線性上拉/下拉電阻，UCC20225-Q1系列的柵極驅(qū)動器損耗計(jì)算方法不同。
• 估計(jì)結(jié)溫：可以使用公式TJ = TC + ΨJT × PGD來估計(jì)UCC20225-Q1系列的結(jié)溫，其中TC是用熱電偶或其他儀器測量的UCC20225-Q1系列的殼頂溫度，ΨJT是結(jié)到頂部的特征參數(shù)。使用ΨJT而不是結(jié)到殼的熱阻RΘJC可以大大提高結(jié)溫估計(jì)的準(zhǔn)確性。
• 選擇VCCI、VDDA/B電容：
  • 選擇VCCI電容：連接到VCCI的旁路電容支持初級邏輯所需的瞬態(tài)電流和總電流消耗，建議使用50V、電容值超過100nF的多層陶瓷電容（MLCC）。如果偏置電源輸出與VCCI引腳距離較遠(yuǎn)，應(yīng)在MLCC上并聯(lián)一個(gè)值超過1μF的鉭電容或電解電容。
  • 選擇VDDA（自舉）電容：VDDA電容（自舉電源配置中的自舉電容）需要能夠提供高達(dá)6A的柵極驅(qū)動電流瞬變，并為功率晶體管維持穩(wěn)定的柵極驅(qū)動電壓。通過計(jì)算可以確定自舉電容的最小要求，但實(shí)際值應(yīng)大于計(jì)算值，以考慮直流偏置電壓引起的電容變化和負(fù)載瞬變導(dǎo)致的脈沖跳過情況。建議選擇50V、1μF的電容，并將其盡可能靠近VDD和VSS引腳放置。為了在寬頻率范圍內(nèi)進(jìn)一步降低交流阻抗，建議并聯(lián)一個(gè)低電容值（如100nF）的旁路電容。
  • 選擇VDDB電容：通道B與通道A具有相同的電流要求，因此需要一個(gè)VDDB電容。在示例的自舉配置中，VDDB電容還將通過自舉二極管為VDDA提供電流。建議選擇50V、10μF的MLCC和50V、0.22μF的MLCC作為CVDD。如果偏置電源輸出與VDDB引腳距離較遠(yuǎn)，應(yīng)在CVDD上并聯(lián)一個(gè)值超過10μF的鉭電容或電解電容。
• 死區(qū)時(shí)間設(shè)置指南：對于采用半橋的功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，頂部和底部晶體管之間的死區(qū)時(shí)間設(shè)置對于防止動態(tài)開關(guān)期間的直通至關(guān)重要。UCC20225-Q1系列電氣表中的死區(qū)時(shí)間規(guī)范定義為一個(gè)通道的下降沿90%到另一個(gè)通道的上升沿10%之間的時(shí)間間隔。但實(shí)際的死區(qū)時(shí)間設(shè)置可能與系統(tǒng)中的死區(qū)時(shí)間不同，因?yàn)樗Q于外部柵極驅(qū)動的導(dǎo)通/關(guān)斷電阻、直流母線開關(guān)電壓/電流以及負(fù)載晶體管的輸入電容。建議使用公式DT_Setting = DT_Req + TF_Sys + TR_Sys - TD(on)來選擇合適的死區(qū)時(shí)間，其中DT_Setting是UCC20225-Q1系列的死區(qū)時(shí)間設(shè)置（ns），DT_Req是系統(tǒng)要求的頂部和底部開關(guān)的實(shí)際VGS信號之間的死區(qū)時(shí)間，TF_Sys是系統(tǒng)中柵極在最壞負(fù)載、電壓/電流條件下的關(guān)斷下降時(shí)間，TR_Sys是系統(tǒng)中柵極在最壞負(fù)載、電壓/電流條件下的導(dǎo)通上升時(shí)間，TD(on)是從晶體管柵極信號的10%到功率晶體管柵極閾值的導(dǎo)通延遲時(shí)間。
• 具有輸出級負(fù)偏置的應(yīng)用電路：當(dāng)非理想的PCB布局和長封裝引腳引入寄生電感時(shí)，功率晶體管的柵源驅(qū)動電壓在高di/dt和dv/dt開關(guān)期間可能會出現(xiàn)振鈴。如果振鈴超過閾值電壓，存在意外導(dǎo)通甚至直通的風(fēng)險(xiǎn)。在柵極驅(qū)動上施加負(fù)偏置是一種常用的方法，可以將振鈴保持在閾值以下。以下是幾種實(shí)現(xiàn)負(fù)柵極驅(qū)動偏置的示例：
  • 使用齊納二極管在隔離電源輸出級實(shí)現(xiàn)負(fù)偏置關(guān)斷：通過在隔離電源輸出級使用齊納二極管設(shè)置負(fù)偏置。對于半橋配置，此配置需要兩個(gè)電源，并且RZ會有穩(wěn)態(tài)功耗。
  • 使用兩個(gè)電源（或單輸入雙輸出電源）：電源VA+確定正驅(qū)動輸出電壓，VA確定負(fù)關(guān)斷電壓。此解決方案提供了在設(shè)置正負(fù)軌電壓時(shí)更大的靈活性，但需要更多的電源。
  • 單電源配置并在柵極驅(qū)動環(huán)路中使用齊納二極管生成負(fù)偏置：此解決方案僅使用一個(gè)電源，自舉電源可用于高側(cè)驅(qū)動，成本和設(shè)計(jì)工作量最小。但負(fù)柵極驅(qū)動偏置不僅取決于齊納二極管，還取決于占空比，因此適用于固定占空比（~50%）的轉(zhuǎn)換器，如可變頻率諧振轉(zhuǎn)換器或相移轉(zhuǎn)換器。此外，高側(cè)VDDA - VSSA必須保持足夠的電壓以保持在推薦的電源范圍內(nèi)，這意味著低側(cè)開關(guān)必須在每個(gè)開關(guān)周期的一定時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通或在體（或反并聯(lián)）二極管上有續(xù)流電流，以刷新自舉電容。因此，除非有專門的高側(cè)電源，否則高側(cè)無法實(shí)現(xiàn)100%占空比。

應(yīng)用曲線

通過對設(shè)計(jì)示例的測試波形分析，我們可以直觀地觀察到驅(qū)動器在不同條件下的工作狀態(tài)。例如，在PWM輸入為3.3V、20%占空比的信號時(shí)，功率晶體管的柵極驅(qū)動信號具有250ns的死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間匹配為10ns。同時(shí)，由于采用了分開的導(dǎo)通和關(guān)斷電阻、不同的源電流和灌電流以及米勒平臺，輸出波形在上升和下降時(shí)間上表現(xiàn)出差異。

電源供應(yīng)建議

UCC20225-Q1系列的推薦輸入電源電壓（VCCI）范圍為3V至18V，推薦輸出偏置電源電壓（VDDA/VDDB）范圍為UCC20225A-Q1的6.5V至25V和UCC20225-Q1的9.2V至25V。為了確保正常運(yùn)行，VDD和VCCI不應(yīng)低于各自的UVLO閾值。建議在VDD和VSS引腳之間放置一個(gè)220nF至10μF的本地旁路電容進(jìn)行設(shè)備偏置，并并聯(lián)一個(gè)100nF的電容進(jìn)行高頻濾波。同樣，在VCCI和GND引腳之間也應(yīng)放置一個(gè)最小推薦值為100nF的旁路電容。

PCB布局

布局指南

為了實(shí)現(xiàn)UCC20225-Q1系列的最佳性能，PCB布局至關(guān)重要。以下是一些關(guān)鍵要點(diǎn)：

• 組件放置：低ESR和低ESL電容應(yīng)靠近設(shè)備連接在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導(dǎo)通時(shí)的高峰值電流。應(yīng)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(guān)節(jié)點(diǎn)VSSA（HS）引腳上出現(xiàn)大的負(fù)瞬變。建議將死區(qū)時(shí)間設(shè)置電阻RDT及其旁路電容靠近UCC20225-Q1系列的DT引腳放置。當(dāng)DIS引腳連接到距離較遠(yuǎn)的微控制器時(shí)，建議在DIS引腳附近使用一個(gè)≈1nF的低ESR/ESL電容C_DIS進(jìn)行旁路。
• 接地考慮：必須將對晶體管柵極充電和放電的高峰值電流限制在最小的物理區(qū)域內(nèi)，以降低環(huán)路電感并最小化晶體管柵極端子上的噪聲。柵極驅(qū)動器應(yīng)盡可能靠近晶體管放置。注意包括自舉電容、自舉二極管、本地VSSB參考旁路電容和低側(cè)晶體管體/反并聯(lián)二極管的高電流路徑。自舉電容通過自舉二極管由VDD旁路電容在每個(gè)周期充電，這涉及短時(shí)間內(nèi)的高峰值電流。最小化電路板上的這個(gè)環(huán)路長度和面積對于確保可靠運(yùn)行非常重要。
• 高壓考慮：為了確保初級和次級側(cè)之間的隔離性能，應(yīng)避免在驅(qū)動器設(shè)備下方放置任何PCB走線或銅。不建議在IC下方進(jìn)行