深入解析UCC21220和UCC21220A：高性能隔離式柵極驅(qū)動器的卓越之選

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，選擇合適的柵極驅(qū)動器對于實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電源和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）推出的UCC21220和UCC21220A這兩款4A、6A雙通道基本和功能隔離式柵極驅(qū)動器，看看它們究竟有哪些獨(dú)特的魅力。

文件下載：ucc21220a.pdf

一、UCC21220和UCC21220A的卓越特性

1. 靈活的配置方式

UCC21220和UCC21220A具有極高的靈活性，它們既可以配置為雙低側(cè)驅(qū)動器、雙高側(cè)驅(qū)動器，也能作為半橋驅(qū)動器使用。這種靈活的配置方式使得它們能夠適應(yīng)各種不同的電源和電機(jī)驅(qū)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足多樣化的設(shè)計(jì)需求。

2. 強(qiáng)大的抗干擾能力

該驅(qū)動器的共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）大于125V/ns，這意味著它能夠在高噪聲環(huán)境下穩(wěn)定工作，有效抵御共模干擾，確保信號的準(zhǔn)確傳輸和驅(qū)動器的可靠運(yùn)行。

3. 出色的輸出能力

驅(qū)動器具備高達(dá)4A的峰值源電流和6A的峰值灌電流輸出能力，能夠?yàn)楣β?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/mosfet/" target="_blank">MOSFET和GaNFET提供足夠的驅(qū)動能力，保證開關(guān)管的快速導(dǎo)通和關(guān)斷，從而提高系統(tǒng)的效率和性能。

4. 優(yōu)異的開關(guān)參數(shù)

• 典型傳播延遲僅為33ns，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的信號傳輸和響應(yīng)，減少系統(tǒng)的延遲。
• 最大脈沖寬度失真為5ns，確保輸出信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
• 最大VDD上電延遲為10μs，能夠快速啟動驅(qū)動器，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

5. 寬電壓范圍和溫度范圍

• 輸出驅(qū)動電源VDD最高可達(dá)25V，并且提供5V和8V的VDD欠壓鎖定（UVLO）選項(xiàng)，能夠適應(yīng)不同的電源電壓需求。
• 結(jié)溫范圍（Tj）為 -40°C至150°C，能夠在惡劣的環(huán)境條件下正常工作，保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

6. 安全相關(guān)認(rèn)證

雖然部分認(rèn)證處于計(jì)劃階段，但該驅(qū)動器計(jì)劃獲得 (4242V{PK}) 隔離認(rèn)證（DIN EN IEC 60747 - 17）、 (3000V{RMS}) 隔離認(rèn)證（UL 1577）以及CQC認(rèn)證（GB4943.1 - 2022），這將為其在安全要求較高的應(yīng)用中提供有力的保障。

二、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

UCC21220和UCC21220A的出色性能使其在多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，包括但不限于：

• 服務(wù)器電源：為服務(wù)器的電源模塊提供高效、可靠的驅(qū)動，確保服務(wù)器的穩(wěn)定運(yùn)行。
• 太陽能逆變器和太陽能功率優(yōu)化器：在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，能夠提高能量轉(zhuǎn)換效率，降低損耗。
• 電信磚式轉(zhuǎn)換器：滿足電信設(shè)備對電源的高要求，保證通信的穩(wěn)定性。
• 無線基礎(chǔ)設(shè)施：為無線基站等設(shè)備提供穩(wěn)定的電源驅(qū)動，確保無線信號的正常傳輸。
• 工業(yè)運(yùn)輸和機(jī)器人：在工業(yè)自動化領(lǐng)域，能夠驅(qū)動電機(jī)和功率器件，實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動控制。

三、詳細(xì)的功能描述

1. 欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)

驅(qū)動器在VDD和VCCI電源電路中都內(nèi)置了欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能。當(dāng)VDD偏置電壓低于啟動閾值 (V_{VDDON}) 或啟動后低于 (V{VDDOFF}) 時，VDD UVLO功能會將受影響的輸出拉低，無論輸入引腳（INA和INB）的狀態(tài)如何。同樣，輸入側(cè)的VCCI也有UVLO保護(hù)，只有當(dāng)VCCI超過啟動閾值 (V{CCION}) 時，設(shè)備才會激活；當(dāng)VCCI低于 (V{CCI_OFF}) 時，信號將停止傳輸。這種保護(hù)功能能夠有效防止驅(qū)動器在電源電壓不穩(wěn)定時出現(xiàn)異常工作，提高系統(tǒng)的可靠性。

2. 輸入和輸出邏輯

驅(qū)動器的輸入引腳（INA、INB和DIS）采用了TTL和CMOS兼容的輸入閾值邏輯，與數(shù)字和模擬電源控制器都能很好地接口。輸入引腳易于由邏輯電平控制信號驅(qū)動，并且具有較寬的滯回（ (V_{INA_HYS}) ），能夠提供良好的抗噪聲能力和穩(wěn)定的操作。輸出邏輯則根據(jù)輸入信號和DIS引腳的狀態(tài)進(jìn)行控制，DIS引腳置高時會同時關(guān)閉兩個輸出，置低或懸空時驅(qū)動器正常工作。

3. 輸出級結(jié)構(gòu)

輸出級采用了獨(dú)特的上拉結(jié)構(gòu)，在功率開關(guān)導(dǎo)通過渡的米勒平臺區(qū)域，能夠提供最高的峰值源電流，實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)通。上拉結(jié)構(gòu)由一個P溝道MOSFET和一個額外的N溝道MOSFET并聯(lián)組成，N溝道MOSFET在輸出狀態(tài)從低到高變化的瞬間短暫導(dǎo)通，提供峰值源電流的增強(qiáng)。下拉結(jié)構(gòu)由一個N溝道MOSFET組成，能夠提供6A的峰值灌電流。這種輸出級結(jié)構(gòu)使得驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)軌到軌的輸出電壓擺動，提供極低的壓降。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 輸入濾波器設(shè)計(jì)

為了濾除由非理想布局或長PCB走線引入的振鈴，建議使用一個小的輸入 (R{IN}-C{IN}) 濾波器。 (R{IN}) 的取值范圍為0Ω至100Ω， (C{IN}) 的取值范圍為10pF至100pF。在選擇這些組件時，需要注意在良好的抗噪聲能力和傳播延遲之間進(jìn)行權(quán)衡。

2. 外部自舉二極管和串聯(lián)電阻選擇

自舉電容在低側(cè)晶體管導(dǎo)通時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(fù)的二極管或SiC肖特基二極管，以減少反向恢復(fù)損耗和接地噪聲反彈。同時，使用一個自舉電阻 (R{BOOT}) 來減少 (D{BOOT}) 中的浪涌電流，并限制VDD電壓的上升斜率。

3. 柵極驅(qū)動器輸出電阻選擇

外部柵極驅(qū)動器電阻 (R{ON}) 和 (R{OFF}) 用于限制寄生電感和電容引起的振鈴、高電壓/電流開關(guān)dv/dt和di/dt以及體二極管反向恢復(fù)引起的振鈴，同時還可以微調(diào)柵極驅(qū)動強(qiáng)度，優(yōu)化開關(guān)損耗，減少電磁干擾（EMI）。在選擇這些電阻時，需要根據(jù)驅(qū)動器的輸出能力、功率晶體管的特性以及PCB布局等因素進(jìn)行綜合考慮。

4. 柵極驅(qū)動器功率損耗估算

柵極驅(qū)動器子系統(tǒng)的總損耗 (P{G}) 包括UCC21220和UCC21220A的功率損耗 (P{GD}) 以及外圍電路的功率損耗。 (P{GD}) 可以通過計(jì)算靜態(tài)功率損耗 (P{GDQ}) 和開關(guān)操作損耗 (P{GDO}) 來估算。在不同的工作條件下， (P{GDO}) 的計(jì)算方法有所不同，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

5. 結(jié)溫估算

UCC21220和UCC21220A的結(jié)溫（ (T{J}) ）可以通過公式 (T{J}=T{C}+Psi{JT} × P{GD}) 進(jìn)行估算，其中 (T{C}) 是器件的外殼溫度， (Psi_{JT}) 是結(jié)到頂部的表征參數(shù)。在設(shè)計(jì)過程中，需要確保結(jié)溫不超過器件的最大允許值，以保證器件的可靠性和穩(wěn)定性。

6. 電容選擇

• 自舉電容 (C_{BOOT}) 選擇：自舉電容的大小需要根據(jù)功率晶體管的柵極電荷、開關(guān)頻率和VDD電壓等因素進(jìn)行選擇。同時，為了優(yōu)化瞬態(tài)性能，建議在 (C_{BOOT}) 上并聯(lián)一個低電容值的旁路電容。
• VDDB電容選擇：通道B需要一個VDDB電容來提供電流，在自舉配置中，該電容還需要通過自舉二極管為VDDA提供電流。根據(jù)實(shí)際情況，可以選擇合適的MLCC電容或鉭電容、電解電容等。

7. 輸出級負(fù)偏置應(yīng)用電路

當(dāng)非理想PCB布局和長封裝引腳引入寄生電感時，功率晶體管的柵源驅(qū)動電壓可能會出現(xiàn)振鈴。為了避免振鈴超過閾值電壓導(dǎo)致意外導(dǎo)通和直通，可以在柵極驅(qū)動上施加負(fù)偏置。常見的實(shí)現(xiàn)方法包括使用齊納二極管、雙電源或單電源加齊納二極管等。

五、電源和布局建議

1. 電源建議

• 推薦的輸入電源電壓（VCCI）范圍為3V至5.5V，輸出偏置電源電壓（VDDA/VDDB）范圍為9.2V至25V。在使用過程中，需要確保VDD和VCCI不低于各自的UVLO閾值。
• 在VDD和VSS引腳之間放置一個本地旁路電容，建議使用低ESR、陶瓷表面貼裝電容，并且將其盡可能靠近器件。同時，在VCCI和GND引腳之間也需要放置一個旁路電容，其最小推薦值為100nF。

2. 布局建議

• 組件放置：將低ESR和低ESL的電容連接在VCCI和GND引腳以及VDD和VSS引腳之間，并且盡可能靠近器件，以支持外部功率晶體管導(dǎo)通時的高峰值電流。同時，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，避免開關(guān)節(jié)點(diǎn)VSSA（HS）引腳出現(xiàn)大的負(fù)瞬變。
• 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區(qū)域內(nèi)，以減少環(huán)路電感，降低晶體管柵極端子的噪聲。將柵極驅(qū)動器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)二極管在內(nèi)的高電流路徑，盡量減小該環(huán)路的長度和面積。
• 高壓考慮：為了確保初級和次級側(cè)之間的隔離性能，避免在驅(qū)動器器件下方放置任何PCB走線或銅箔，建議采用PCB切口來防止可能影響隔離性能的污染。對于半橋或高側(cè)/低側(cè)配置，盡量增加高側(cè)和低側(cè)PCB走線之間的間隙距離。
• 熱考慮：如果驅(qū)動電壓高、負(fù)載重或開關(guān)頻率高，UCC21220和UCC21220A可能會消耗大量功率。通過合理的PCB布局，可以幫助將熱量從器件散發(fā)到PCB上，減小結(jié)到板的熱阻抗 (theta_{JB}) 。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，還可以通過多個適當(dāng)尺寸的過孔將VDDA、VDDB、VSSA和VSSB引腳連接到內(nèi)部接地或電源平面，但要注意保持上述高壓PCB考慮因素。

六、總結(jié)

UCC21220和UCC21220A作為一款高性能的隔離式柵極驅(qū)動器，具有靈活的配置方式、強(qiáng)大的抗干擾能力、出色的輸出能力和優(yōu)異的開關(guān)參數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理的設(shè)計(jì)和布局，可以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電源和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。電子工程師們在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)時，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求和系統(tǒng)要求，充分考慮上述要點(diǎn)，以確保設(shè)計(jì)的成功。大家在使用UCC21220和UCC21220A的過程中，有沒有遇到什么特別的問題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享交流。