UCC2753x系列單通道高速柵極驅(qū)動(dòng)器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)詳解

引言

在電子電路設(shè)計(jì)中，柵極驅(qū)動(dòng)器扮演著至關(guān)重要的角色，它能夠有效驅(qū)動(dòng)MOSFET和IGBT等功率開(kāi)關(guān)，對(duì)于提高開(kāi)關(guān)速度、降低開(kāi)關(guān)損耗起著關(guān)鍵作用。UCC2753x系列單通道高速柵極驅(qū)動(dòng)器憑借其出色的性能和豐富的功能，成為眾多應(yīng)用場(chǎng)景中的理想選擇。本文將詳細(xì)介紹UCC2753x系列驅(qū)動(dòng)器的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、UCC2753x系列產(chǎn)品概述

UCC2753x系列包括UCC27531、UCC27533、UCC27536、UCC27537和UCC27538等型號(hào)，能夠有效驅(qū)動(dòng)MOSFET和IGBT功率開(kāi)關(guān)。該系列采用不對(duì)稱驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，可提供高達(dá)2.5A的源電流和5A的灌電流，支持負(fù)關(guān)斷偏置和軌到軌驅(qū)動(dòng)能力，具有極小的傳播延遲（典型值為17ns）。

（一）產(chǎn)品特性

1. 低成本與高性能：是驅(qū)動(dòng)FET和IGBT的低成本解決方案，能有效替代分立晶體管對(duì)驅(qū)動(dòng)，與控制器的接口簡(jiǎn)單。
2. 兼容多種邏輯電平：輸入邏輯閾值與TTL和CMOS兼容，且獨(dú)立于電源電壓，具有1V典型滯后，提供出色的抗噪能力。
3. 靈活的輸出配置：具有分裂輸出選項(xiàng)，可獨(dú)立調(diào)節(jié)導(dǎo)通和關(guān)斷電流，減少接地反彈。提供反相和非反相輸入配置，以及固定TTL兼容閾值的使能功能。
4. 寬工作電壓范圍：VDD范圍為10V至35V，輸入和使能引腳能夠承受低至 -5V的直流電壓。
5. 快速開(kāi)關(guān)特性：傳播延遲快（典型值17ns），上升和下降時(shí)間短（帶1800pF負(fù)載時(shí)典型值分別為15ns和7ns）。
6. 欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)：確保在電源電壓異常時(shí)，輸出保持低電平，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。
7. 多種封裝選項(xiàng)：提供低成本、節(jié)省空間的5引腳或6引腳DBV（SOT23）封裝，UCC27536和UCC27537與TPS2828和TPS2829引腳兼容。
8. 寬工作溫度范圍：可在 -40°C至140°C的溫度范圍內(nèi)工作。

（二）產(chǎn)品對(duì)比

二、UCC2753x的工作原理與功能模塊

（一）功能框圖

UCC2753x系列各型號(hào)的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括VDD、輸入引腳、輸出引腳、UVLO（欠壓鎖定）等部分。例如，UCC27531的功能框圖中，EN引腳內(nèi)部上拉至參考電壓，IN引腳下拉至地，通過(guò)這些電阻實(shí)現(xiàn)輸入引腳浮空時(shí)輸出保持低電平的安全功能。

（二）特性詳細(xì)描述

1. VDD欠壓鎖定（UVLO）：VDD引腳的內(nèi)部UVLO保護(hù)功能可防止在低電源電壓下柵極驅(qū)動(dòng)器工作，避免功率開(kāi)關(guān)出現(xiàn)不可接受的功耗。典型的UVLO閾值為8.9V，具有700mV的滯后，可防止因電源噪聲和電壓下降導(dǎo)致的抖動(dòng)。
2. 輸入級(jí)：輸入引腳基于TTL和CMOS兼容的輸入閾值邏輯，獨(dú)立于VDD電源電壓。典型高閾值為2V，低閾值為1V，滯后為1V，提供了比傳統(tǒng)TTL邏輯更強(qiáng)的抗噪能力。輸入引腳的低電容（典型值20pF）減少了負(fù)載并提高了開(kāi)關(guān)速度。當(dāng)輸入引腳浮空時(shí)，輸出保持低電平，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。
3. 使能功能：使能（EN）引腳內(nèi)部上拉至內(nèi)部參考電壓，浮空時(shí)驅(qū)動(dòng)器正常工作，也可由低壓邏輯驅(qū)動(dòng)來(lái)啟用或禁用驅(qū)動(dòng)器。
4. 輸出級(jí)：輸出級(jí)采用混合上拉結(jié)構(gòu)，由N溝道和P溝道MOSFET并聯(lián)組成，在功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的米勒平臺(tái)區(qū)域能夠提供更高的峰值源電流，實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)通。下拉結(jié)構(gòu)由N溝道MOSFET組成，具有低阻抗，可有效抑制寄生米勒導(dǎo)通效應(yīng)。輸出電壓在VDD和GND之間擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軌到軌操作，在許多情況下可消除外部肖特基二極管鉗位。

（三）設(shè)備功能模式

UCC2753x設(shè)備工作在正常模式和UVLO模式。在正常模式下，輸出狀態(tài)取決于設(shè)備狀態(tài)和輸入引腳。不同型號(hào)的輸入輸出邏輯真值表如下： （此處可列出相應(yīng)的真值表，如單個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器、帶使能引腳的單個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器等的真值表）

三、UCC2753x的應(yīng)用領(lǐng)域

（一）應(yīng)用范圍

UCC2753x系列驅(qū)動(dòng)器具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括開(kāi)關(guān)模式電源、DC - DC轉(zhuǎn)換器、太陽(yáng)能逆變器、電機(jī)控制、UPS、混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)充電器、家用電器、可再生能源功率轉(zhuǎn)換以及SiC FET轉(zhuǎn)換器等。

（二）典型應(yīng)用案例

1. 驅(qū)動(dòng)無(wú)負(fù)偏置的IGBT
   • 設(shè)計(jì)要求：選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，需要考慮輸入輸出配置、輸入閾值類型、偏置電源電壓、峰值源電流和灌電流、使能和禁用功能、傳播延遲、功耗和封裝類型等設(shè)計(jì)參數(shù)。例如，在驅(qū)動(dòng)無(wú)負(fù)偏置的IGBT時(shí)，可能需要非反相輸入輸出配置、CMOS輸入閾值類型、 + 18V偏置電源電壓等。
   • 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟
     • 輸入 - 輸出配置：根據(jù)需求選擇合適的輸入輸出配置，如需要在輸入信號(hào)為高電平時(shí)導(dǎo)通功率MOSFET或IGBT，則選擇具有非反相配置的設(shè)備；若擔(dān)心接地反彈問(wèn)題，可選擇分裂輸出設(shè)備（如UCC27531或UCC27538）。
     • 輸入閾值類型：UCC2753x系列支持TTL和CMOS兼容的輸入閾值邏輯，可與微控制器和模擬控制器的邏輯電平輸入信號(hào)兼容。
     • VDD偏置電源電壓：偏置電源電壓應(yīng)在推薦的工作條件范圍內(nèi)（10V至32V），不同的功率開(kāi)關(guān)需要不同的柵極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)有效導(dǎo)通和關(guān)斷。
     • 峰值源電流和灌電流：為了實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)，減少開(kāi)關(guān)損耗，柵極驅(qū)動(dòng)器需要提供足夠的峰值電流。通過(guò)計(jì)算功率MOSFET的米勒電荷和所需的開(kāi)關(guān)速度，可確定所需的峰值電流。UCC2753x系列能夠提供2.5A的峰值源電流和5A的峰值灌電流，滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。
     • 使能和禁用功能：某些應(yīng)用需要獨(dú)立控制驅(qū)動(dòng)器的輸出狀態(tài)，可選擇具有使能和禁用功能的型號(hào)（如UCC27531、UCC27536或UCC27537）；對(duì)于需要多個(gè)輸入的應(yīng)用，可選擇UCC27533或UCC27538。
     • 傳播延遲：UCC2753x系列具有典型值為17ns的傳播延遲，可確保極小的脈沖失真，允許在較高頻率下工作。
     • 功耗：柵極驅(qū)動(dòng)器的功耗包括直流功耗和開(kāi)關(guān)功耗。UCC2753x系列的靜態(tài)電流較低，內(nèi)部邏輯可消除輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)的直通電流，因此直流功耗可忽略不計(jì)。開(kāi)關(guān)功耗取決于功率設(shè)備的柵極電荷、開(kāi)關(guān)頻率和外部柵極電阻的使用。
   • 應(yīng)用曲線：通過(guò)實(shí)際測(cè)試UCC27531在UCC27531EVM - 184上的應(yīng)用曲線，可觀察到輸入輸出PWM的傳播延遲、上升時(shí)間等參數(shù)，為設(shè)計(jì)提供參考。
2. 驅(qū)動(dòng)帶13V負(fù)關(guān)斷偏置的IGBT、單輸出驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用以及在逆變器中使用UCC2753x驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用案例的設(shè)計(jì)要求、詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟和應(yīng)用曲線與上述驅(qū)動(dòng)無(wú)負(fù)偏置的IGBT類似。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

（一）電源供應(yīng)建議

UCC2753x系列的偏置電源電壓范圍為10V至32V，下限由VDD引腳的內(nèi)部UVLO保護(hù)功能決定，上限考慮到器件的絕對(duì)最大電壓額定值和瞬態(tài)電壓尖峰。UVLO保護(hù)功能具有滯后特性，在電源電壓接近9.8V時(shí)，需要確保輔助電源輸出的電壓紋波小于器件的滯后規(guī)格，以避免觸發(fā)器件關(guān)斷。在系統(tǒng)啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)，需要考慮VDD引腳電壓的閾值，確保器件正常工作。同時(shí)，為了提供輸出引腳的源電流脈沖，需要在VDD和GND引腳之間提供本地旁路電容，且應(yīng)選擇低ESR的陶瓷表面貼裝電容。

（二）PCB布局指南

在設(shè)計(jì)高速、大電流的電路時(shí)，正確的PCB布局至關(guān)重要。對(duì)于UCC2753x柵極驅(qū)動(dòng)器，應(yīng)遵循以下布局準(zhǔn)則：

1. 將驅(qū)動(dòng)器設(shè)備盡可能靠近功率設(shè)備，以減少驅(qū)動(dòng)器輸出引腳與功率開(kāi)關(guān)柵極之間的高電流走線長(zhǎng)度。
2. 將VDD旁路電容放置在VDD和GND之間，盡可能靠近驅(qū)動(dòng)器，減少走線長(zhǎng)度，提高噪聲濾波效果。建議使用低電感的SMD組件，如片式電阻和片式電容。
3. 盡量減小導(dǎo)通和關(guān)斷電流回路的路徑，以減少雜散電感。在電流回路中，盡量平行布置源極和返回走線，利用磁通抵消原理。
4. 分離電源走線和信號(hào)走線，如輸出信號(hào)和輸入信號(hào)。
5. 采用星型接地方式，將驅(qū)動(dòng)器的GND連接到其他電路節(jié)點(diǎn)（如功率開(kāi)關(guān)的源極、PWM控制器的接地等）單點(diǎn)連接，連接路徑應(yīng)盡量短且寬，以減少電感和電阻。
6. 使用接地平面提供噪聲屏蔽，避免OUT引腳的快速上升和下降時(shí)間在過(guò)渡期間干擾輸入信號(hào)。接地平面不應(yīng)作為任何電流回路的傳導(dǎo)路徑，而應(yīng)通過(guò)一條走線連接到星型接地，以建立接地電位。同時(shí)，接地平面還可有助于散熱。

（三）靜電放電注意事項(xiàng)

UCC2753x系列器件的內(nèi)置ESD保護(hù)有限，在存儲(chǔ)或處理過(guò)程中，應(yīng)將引腳短路在一起或放置在導(dǎo)電泡沫中，以防止MOS柵極受到靜電損壞。

總結(jié)

UCC2753x系列單通道高速柵極驅(qū)動(dòng)器憑借其出色的性能、豐富的功能和靈活的配置，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體需求選擇合適的型號(hào)，并遵循電源供應(yīng)、PCB布局和靜電放電等方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的可靠性和性能。你在實(shí)際應(yīng)用中是否也遇到過(guò)類似的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。