UCC27712：高性能高側(cè)低側(cè)柵極驅(qū)動器深度解析

在電子工程領(lǐng)域，柵極驅(qū)動器是開關(guān)電源應(yīng)用中不可或缺的關(guān)鍵組件。今天，我們就來詳細(xì)探討德州儀器（TI）推出的 UCC27712 高側(cè)低側(cè)柵極驅(qū)動器，深入了解其特性、應(yīng)用及設(shè)計要點(diǎn)。

文件下載：ucc27712.pdf

1. 產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

UCC27712 具備一系列令人矚目的特性，使其在眾多驅(qū)動器中脫穎而出。

• 高低側(cè)配置與互鎖功能：采用高側(cè)和低側(cè)配置，雙輸入具備輸出互鎖和 150ns 死區(qū)時間，有效防止上下橋臂同時導(dǎo)通，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。
• 高電壓工作能力：能夠在高達(dá) 620V 的電壓下完全正常工作，HB 引腳的絕對最大電壓可達(dá) 700V，為高壓應(yīng)用提供了可靠保障。
• 寬電源電壓范圍：推薦的 VDD 范圍為 10V 至 20V，可適應(yīng)不同的電源需求。
• 大峰值輸出電流：峰值輸出電流為 2.8A 灌電流和 1.8A 拉電流，能夠為功率 MOSFET 或 IGBT 提供強(qiáng)大的驅(qū)動能力。
• 高 dv/dt 抗擾度：dv/dt 抗擾度達(dá) 50V/ns，可有效抵御電壓變化帶來的干擾，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
• 負(fù)電壓耐受性：HS 引腳邏輯可在 -11V 下正常工作，輸入引腳具有 -5V 的負(fù)電壓耐受性，且擁有較大的負(fù)瞬態(tài)安全工作區(qū)。
• 完善的保護(hù)功能：具備 UVLO 保護(hù)功能，可防止電源電壓過低對器件造成損壞；輸入懸空或不滿足最小輸入脈沖寬度時，輸出保持低電平。
• 低傳播延遲和良好的延遲匹配：典型傳播延遲為 100ns，典型延遲匹配為 12ns，可減少脈沖寬度失真，適用于高頻開關(guān)應(yīng)用。
• 低靜態(tài)電流：采用浮動通道設(shè)計，適用于自舉操作，靜態(tài)電流低，降低了系統(tǒng)功耗。
• 兼容多種輸入信號：TTL 和 CMOS 兼容輸入，方便與數(shù)字和模擬控制器接口。
• 標(biāo)準(zhǔn)封裝：采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 SOIC - 8 封裝，便于 PCB 布局和安裝。
• 全溫度范圍參數(shù)指定：所有參數(shù)在 -40°C 至 +125°C 的溫度范圍內(nèi)均有明確指定，保證了在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性能。

2. 廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

UCC27712 的高性能使其在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

• 電機(jī)驅(qū)動：適用于步進(jìn)電機(jī)、HVAC、風(fēng)扇、電動工具、機(jī)器人和無人機(jī)等電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、精確的電機(jī)控制。
• 橋式轉(zhuǎn)換器：可用于離線 AC/DC 電源中的橋式轉(zhuǎn)換器，提高電源轉(zhuǎn)換效率。
• 高密度開關(guān)電源：在服務(wù)器、電信、IT 和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域的高密度開關(guān)電源中發(fā)揮重要作用。
• DC - AC 逆變器：為 DC - AC 逆變器提供可靠的驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)直流到交流的高效轉(zhuǎn)換。

3. 工作原理與詳細(xì)描述

3.1 整體架構(gòu)

UCC27712 由一個接地參考通道（LO）和一個浮動通道（HO）組成，浮動通道可采用自舉或隔離電源供電。每個通道由各自的輸入引腳（HI 和 LI）控制，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立靈活的輸出控制。

3.2 保護(hù)特性

• UVLO 保護(hù)：VDD 和 HB - HS 均具備 UVLO 保護(hù)功能，當(dāng)電源電壓低于相應(yīng)閾值時，輸出將被拉低，防止器件在異常電壓下工作。同時，UVLO 保護(hù)具有遲滯特性，可防止電源噪聲引起的振蕩。
• 輸出互鎖和死區(qū)時間：互鎖功能可防止高側(cè)和低側(cè)輸出同時為高電平，避免橋臂直通。內(nèi)置 150ns 的固定最小死區(qū)時間，確保在輸入信號重疊或無死區(qū)時間時，輸出也能保持安全的死區(qū)時間。

3.3 輸入輸出特性

• 輸入級：輸入引腳采用 TTL 和 CMOS 兼容的輸入閾值邏輯，獨(dú)立于 VDD 電源電壓。具有較寬的遲滯（典型值為 0.8V），可增強(qiáng)抗噪聲能力。輸入引腳能夠承受高于 VDD 引腳的電壓和低于 COM 的負(fù)電壓，但需在推薦的工作條件范圍內(nèi)。
• 輸出級：輸出級采用 P 溝道 MOSFET 上拉和 N 溝道 MOSFET 下拉結(jié)構(gòu)，能夠提供 1.8A 峰值拉電流和 2.8A 峰值灌電流，輸出電壓可實(shí)現(xiàn)軌到軌操作。

3.4 電平轉(zhuǎn)換

電平轉(zhuǎn)換電路是 UCC27712 的關(guān)鍵部分，它能夠?qū)?HI 輸入信號轉(zhuǎn)換為參考 HS 引腳的 HO 輸出信號，并與低側(cè)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)良好的延遲匹配。在 HS 引腳處于負(fù)電壓條件下，電平轉(zhuǎn)換器仍能正常工作，只需 HB 和 COM 之間有 4V 的凈空即可。

4. 應(yīng)用設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

4.1 典型應(yīng)用電路

以 UCC27712 驅(qū)動典型半橋配置為例，該電路可用于同步降壓、同步升壓、半橋/全橋隔離拓?fù)浜碗姍C(jī)驅(qū)動等多種常見電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

4.2 設(shè)計步驟

• 選擇輸入低通濾波器組件：在 PWM 控制器和 UCC27712 輸入引腳之間添加 RC 濾波器，可濾除高頻噪聲。建議 (R{H} / R{L}) 在 10Ω 至 100Ω 范圍內(nèi)，(C{HI} / C{LI}) 在 10pF 至 220pF 之間。
• 選擇自舉電容：自舉電容的大小應(yīng)能提供足夠的能量來驅(qū)動 FET Q1 的柵極，并保持功率晶體管的柵極驅(qū)動電壓穩(wěn)定?？筛鶕?jù)公式估算所需的總電荷，進(jìn)而確定自舉電容的大小。
• 選擇 VDD 旁路/保持電容和偏置電阻：VDD 電容應(yīng)至少為自舉電容的 10 倍，以減少充電時的電壓降。建議在偏置電源和 VDD 引腳之間串聯(lián)一個 10Ω 的電阻，使 VDD 上升時間大于 20μs。
• 選擇自舉電阻：自舉電阻用于限制自舉二極管中的電流和 HB - HS 電壓的上升斜率。建議 (R_{BOOT}) 在 2Ω 至 20Ω 之間，同時要考慮其功率耗散能力。
• 選擇柵極電阻：柵極電阻 (R{ON}) 和 (R{OFF}) 用于限制寄生電感和電容引起的振蕩，優(yōu)化開關(guān)損耗，減少電磁干擾?？筛鶕?jù)具體應(yīng)用選擇合適的阻值。
• 選擇自舉二極管：應(yīng)選擇快速恢復(fù)二極管，以避免自舉電容的電荷被帶走。建議選擇具有快速反向恢復(fù)時間 (t{RR})、低正向電壓 (V{F}) 和低結(jié)電容的二極管。
• 估算功率損耗：UCC27712 的功率損耗主要包括靜態(tài)損耗、動態(tài)損耗和柵極驅(qū)動損耗等?？筛鶕?jù)相關(guān)公式進(jìn)行估算，以便合理設(shè)計散熱方案。
• 估算結(jié)溫：可使用熱信息表中的結(jié)到頂部表征參數(shù)（(Psi_{JT})）來估算結(jié)溫，提高估算的準(zhǔn)確性。

5. 電源供應(yīng)與布局建議

5.1 電源供應(yīng)

VDD 電源端子需要放置儲能電容和低 ESR 去耦電容，推薦使用具有穩(wěn)定溫度特性的陶瓷電容，如 X7R 或更好的電容。同樣，HB - HS 電源端子也建議使用低 ESR 的 X7R 電容，并盡量靠近器件引腳放置。

5.2 布局指南

• 盡量將 UCC27712 靠近 MOSFET 放置，以減少 HO/LO 與 MOSFET 柵極之間的大電流走線長度，以及返回驅(qū)動器 HS 和 COM 的電流路徑長度。
• 建議在偏置電源和 VDD 引腳之間串聯(lián)一個電阻。
• 將 VDD 電容（CVDD）和 VHB 電容（CBOOT）盡量靠近 UCC27712 的引腳放置。
• 推薦在自舉二極管上串聯(lián)一個 2Ω 至 20Ω 的電阻，以限制自舉電流。
• 為 HI/LI 輸入添加一個 10Ω 至 100Ω 和 10pF 至 220pF 的 RC 濾波器。
• 分離電源走線和信號走線，如輸出和輸入信號。
• 盡量保持低電壓引腳與浮動驅(qū)動 HB、HO 和 HS 引腳之間的距離。
• 確保控制地（輸入信號參考）中沒有來自功率電路地的高開關(guān)電流流動。
• 如果需要 IC 引腳具有 2kV HBM ESD 額定值，可在每個引腳與地之間放置一個 100pF 的電容。

6. 總結(jié)

UCC27712 憑借其卓越的性能、豐富的保護(hù)功能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，成為開關(guān)電源應(yīng)用中的理想選擇。在設(shè)計過程中，我們需要充分考慮其各項特性和參數(shù)，合理選擇外圍組件，優(yōu)化 PCB 布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能為電子工程師在使用 UCC27712 進(jìn)行設(shè)計時提供有價值的參考。你在使用 UCC27712 或其他柵極驅(qū)動器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。