深入解析UCC2752x系列高速柵極驅(qū)動(dòng)器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子工程領(lǐng)域，高速開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)一直是一個(gè)關(guān)鍵的研究方向。而柵極驅(qū)動(dòng)器作為其中的重要組成部分，其性能直接影響著整個(gè)電路的效率、穩(wěn)定性和可靠性。今天，我們就來(lái)深入探討一下德州儀器（TI）推出的UCC2752x系列高速柵極驅(qū)動(dòng)器。

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一、UCC2752x系列概述

UCC2752x系列是TI最新一代的雙通道、低側(cè)、高速柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，包括UCC27523、UCC27525和UCC27526三款器件。該系列產(chǎn)品具有5A的源極和漏極電流能力，擁有業(yè)界一流的開(kāi)關(guān)特性，能夠確保在高頻開(kāi)關(guān)電源電路中實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)健和可靠的運(yùn)行。

1.1 產(chǎn)品特性

• 多種邏輯選項(xiàng)：提供三種標(biāo)準(zhǔn)邏輯選項(xiàng)，包括雙反相、雙同相以及一個(gè)反相和一個(gè)同相驅(qū)動(dòng)器，可滿足不同的應(yīng)用需求。
• 安全設(shè)計(jì)：內(nèi)部上拉和下拉電阻確保在輸入引腳浮空時(shí)輸出保持低電平，提高了系統(tǒng)的安全性。
• 靈活的輸入配置：UCC27526具有雙輸入設(shè)計(jì)，每個(gè)通道可靈活配置為反相（IN–引腳）或同相（IN+引腳）。
• 使能功能：UCC27523和UCC27525配備使能引腳（ENA和ENB），可更好地控制驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的操作。
• 寬工作電壓范圍：可在4.5V至18V的電源電壓下工作，適用于多種功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)。
• 低傳播延遲：典型傳播延遲為13ns，能夠有效減少脈沖失真，支持高頻操作。
• 緊密匹配的輸出：兩個(gè)通道之間的內(nèi)部傳播延遲典型值為1ns，適用于對(duì)時(shí)序要求嚴(yán)格的雙柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

1.2 封裝形式

UCC2752x系列器件提供多種封裝形式，包括SOIC - 8（D）、MSOP - 8帶外露焊盤（DGN）和3mm × 3mm WSON - 8帶外露焊盤（DSD）。其中，UCC27526僅提供3mm × 3mm WSON（DSD）封裝。不同的封裝形式可滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)尺寸、散熱等方面的要求。

二、UCC2752x系列的詳細(xì)特性分析

2.1 (V_{DD})和欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)

UCC2752x器件在(V{DD})引腳電源電路塊上具備內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能。當(dāng)(V{DD})上升且低于UVLO閾值時(shí)，無(wú)論輸入狀態(tài)如何，輸出都保持低電平。典型的UVLO閾值為4.2V，具有300mV的典型遲滯，可防止低(V{DD})電源電壓存在噪聲或系統(tǒng)開(kāi)始切換時(shí)(V{DD})偏置電壓下降導(dǎo)致的抖動(dòng)。同時(shí)，該系列器件能夠在低至5V以下的電壓水平下工作，結(jié)合出色的開(kāi)關(guān)特性，非常適合驅(qū)動(dòng)新興的GaN功率半導(dǎo)體器件。

為了獲得最佳的高速電路性能，TI建議在(V{DD})和GND引腳之間使用兩個(gè)旁路電容，一個(gè)0.1μF的陶瓷電容應(yīng)盡可能靠近柵極驅(qū)動(dòng)器的(V{DD})和GND引腳，另外一個(gè)較大的電容（如1μF）且具有較低的等效串聯(lián)電阻（ESR）應(yīng)與之并聯(lián)，以幫助提供負(fù)載所需的高電流峰值。

2.2 工作電源電流

UCC2752x產(chǎn)品具有極低的靜態(tài)IDD電流。在UVLO狀態(tài)和完全導(dǎo)通狀態(tài)（靜態(tài)和開(kāi)關(guān)條件下）的典型工作電源電流在相關(guān)圖表中有詳細(xì)總結(jié)。當(dāng)器件完全導(dǎo)通且輸出處于靜態(tài)狀態(tài)時(shí)，IDD電流代表了所有內(nèi)部邏輯電路完全運(yùn)行時(shí)的最低靜態(tài)IDD電流。總電源電流是靜態(tài)IDD電流、開(kāi)關(guān)引起的平均IOUT電流以及使能引腳和反相輸入引腳上拉電阻相關(guān)電流的總和。

2.3 輸入級(jí)

UCC2752x柵極驅(qū)動(dòng)器的輸入引腳基于TTL和CMOS兼容的輸入閾值邏輯，與(V_{DD})電源電壓無(wú)關(guān)。典型的高閾值為2.1V，低閾值為1.2V，可方便地由3.3V和5V數(shù)字電源控制器設(shè)備的PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)。較寬的遲滯（典型值為0.9V）相比傳統(tǒng)TTL邏輯實(shí)現(xiàn)具有更強(qiáng)的抗噪能力。同時(shí)，輸入引腳的閾值電壓水平控制嚴(yán)格，可確保在不同溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，UCC2752x器件具有重要的安全特性，當(dāng)任何輸入引腳處于浮空狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)通道的輸出將保持低電平。UCC27523/5每個(gè)通道有一個(gè)輸入引腳，而UCC27526每個(gè)通道有兩個(gè)輸入引腳，用戶可靈活選擇使用同相輸入引腳（INx+）或反相輸入引腳（INx–）來(lái)驅(qū)動(dòng)通道。未使用的輸入引腳必須正確偏置以啟用通道輸出，也可用于實(shí)現(xiàn)使能/禁用功能。

2.4 使能功能

使能功能在柵極驅(qū)動(dòng)器中非常有用，特別是在同步整流等應(yīng)用中，可在輕載條件下禁用驅(qū)動(dòng)器輸出，防止負(fù)電流循環(huán)，提高輕載效率。UCC27523/5器件配備獨(dú)立的使能引腳ENx，基于同相配置（高電平有效），可通過(guò)3.3V和5V微控制器的邏輯信號(hào)有效控制。使能引腳的閾值電壓水平控制嚴(yán)格，確保在不同溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。在默認(rèn)狀態(tài)下，ENx引腳通過(guò)上拉電阻上拉到(VDD)，輸出處于啟用狀態(tài)，因此在不需要使能功能的標(biāo)準(zhǔn)操作中，ENx引腳可浮空或不連接。

UCC27526器件沒(méi)有專用的使能引腳，但可使用未使用的輸入引腳輕松實(shí)現(xiàn)使能/禁用功能。當(dāng)INx+拉低到GND或INx–拉低到VDD時(shí)，輸出被禁用，因此INx+引腳可作為高電平有效邏輯的使能引腳，INx–引腳可作為低電平有效邏輯的使能引腳。需要注意的是，UCC27526的INx+和INx–引腳不允許浮空，否則會(huì)禁用輸出。

2.5 輸出級(jí)

UCC2752x器件的輸出級(jí)采用獨(dú)特的架構(gòu)，在上拉結(jié)構(gòu)中，P溝道MOSFET和一個(gè)額外的N溝道MOSFET并聯(lián)。在功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通過(guò)渡的米勒平臺(tái)區(qū)域（功率開(kāi)關(guān)漏極或集電極電壓經(jīng)歷dV/dt時(shí)），N溝道MOSFET可提供短暫的峰值源電流提升，實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)通。(R{OH})參數(shù)代表P溝道器件的導(dǎo)通電阻，N溝道器件在直流條件下處于關(guān)斷狀態(tài)，僅在輸出從低到高狀態(tài)變化的瞬間導(dǎo)通，因此在導(dǎo)通瞬間上拉階段的有效電阻遠(yuǎn)低于(R{OH})參數(shù)。

下拉結(jié)構(gòu)由一個(gè)N溝道MOSFET組成，(R{OL})參數(shù)代表下拉階段的阻抗。每個(gè)輸出級(jí)可提供5A的峰值源電流和5A的峰值灌電流脈沖，輸出電壓在(V{DD})和GND之間擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軌到軌操作，且MOS輸出級(jí)具有極低的壓降。MOSFET體二極管對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)沖和下沖提供低阻抗，在許多情況下可省去外部肖特基二極管鉗位。輸出能夠承受500mA的反向電流，不會(huì)損壞器件或?qū)е逻壿嫻收稀?/p>

2.6 低傳播延遲和緊密匹配的輸出

UCC2752x驅(qū)動(dòng)器具有業(yè)界一流的13ns（典型值）輸入到輸出傳播延遲，可有效減少高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的脈沖傳輸失真。例如，在同步整流應(yīng)用中，使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)SR MOSFET時(shí)，可實(shí)現(xiàn)極低的失真。同時(shí)，兩個(gè)通道之間的內(nèi)部傳播延遲典型值為1ns，這對(duì)于需要關(guān)鍵時(shí)序的雙柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用非常有益，如PFC應(yīng)用中，可確保并聯(lián)MOSFET同時(shí)驅(qū)動(dòng)，減少導(dǎo)通延遲差異。

當(dāng)直接連接OUTA和OUTB引腳以增加電流驅(qū)動(dòng)能力時(shí)，需要注意兩個(gè)通道在導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)可能存在的延遲，這可能導(dǎo)致直通電流傳導(dǎo)。因此，建議使用非?？斓膁V/dt輸入信號(hào)（20V/μs或更高），將INA和INB連接盡可能靠近器件引腳，并在必要時(shí)在OUTA和OUTB上串聯(lián)柵極電阻，以限制直通電流。

三、UCC2752x系列的應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 應(yīng)用信息

在開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中，高性能的柵極驅(qū)動(dòng)器必不可少。它可實(shí)現(xiàn)功率器件的快速開(kāi)關(guān)，減少開(kāi)關(guān)功率損耗，同時(shí)解決PWM控制器直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件不可行的問(wèn)題。特別是在數(shù)字電源應(yīng)用中，PWM信號(hào)通常為3.3V邏輯信號(hào)，無(wú)法有效導(dǎo)通功率開(kāi)關(guān)，需要柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和緩沖驅(qū)動(dòng)。此外，柵極驅(qū)動(dòng)器還可減少高頻開(kāi)關(guān)噪聲的影響，驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)變壓器，控制浮動(dòng)功率器件的柵極，降低控制器設(shè)備的功率損耗和熱應(yīng)力。

新興的寬帶隙功率器件技術(shù)，如基于GaN的開(kāi)關(guān)，對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)能力提出了特殊要求，包括在低(V_{DD})電壓（5V或更低）下工作、低傳播延遲、緊密的延遲匹配以及采用緊湊、低電感且具有良好散熱能力的封裝。UCC2752x系列驅(qū)動(dòng)器能夠滿足這些需求，是開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中的理想選擇。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.2.1 輸入到輸出邏輯

在選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用需求確定輸入到輸出的配置。UCC27523可提供帶使能控制的雙反相輸入到輸出；UCC27525可提供一個(gè)反相和一個(gè)同相輸入到輸出控制；UCC27526每個(gè)通道可通過(guò)INx–或INx+引腳分別配置為反相或同相輸入到輸出。

3.2.2 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)。UCC27523/5器件提供兩個(gè)獨(dú)立的使能引腳ENx，可獨(dú)家控制每個(gè)驅(qū)動(dòng)器通道。UCC27526器件沒(méi)有專用的使能引腳，但可使用未使用的輸入引腳實(shí)現(xiàn)使能/禁用功能。需要注意的是，UCC27523/5的ENA、ENB引腳在標(biāo)準(zhǔn)操作中可浮空，輸出將被啟用，而UCC27526的INx+、INx–引腳不允許浮空，否則會(huì)禁用輸出。

3.2.3 (V_{DD})偏置電源電壓

施加到器件(V_{DD})引腳的偏置電源電壓不應(yīng)超過(guò)規(guī)定值。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，UCC2752x器件的工作電壓范圍為4.5V至18V，可用于驅(qū)動(dòng)多種功率開(kāi)關(guān)，如Si MOSFET和IGBT。

3.2.4 傳播延遲

柵極驅(qū)動(dòng)器的可接受傳播延遲取決于其使用的開(kāi)關(guān)頻率和系統(tǒng)可接受的脈沖失真水平。UCC2752x器件具有快速的13ns（典型值）傳播延遲，可確保極少的脈沖失真，支持高頻操作。

3.2.5 驅(qū)動(dòng)電流和功率損耗

UCC27523/5/6系列驅(qū)動(dòng)器能夠在(V_{DD}=12V)時(shí)為MOSFET柵極提供5A的電流。驅(qū)動(dòng)器件的功率損耗取決于功率MOSFET所需的柵極電荷、開(kāi)關(guān)頻率和外部柵極電阻的使用。由于UCC2752x具有極低的靜態(tài)電流和內(nèi)部邏輯以消除輸出驅(qū)動(dòng)器階段的直通電流，因此其對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部功率損耗的影響可忽略不計(jì)。

四、電源供應(yīng)與布局建議

4.1 電源供應(yīng)建議

UCC2752x器件的偏置電源電壓范圍為4.5V至18V。下限由(V{DD})引腳電源電路塊上的內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能決定，當(dāng)(V{DD})低于ON電源啟動(dòng)閾值時(shí)，輸出保持低電平。上限由器件(V{DD})引腳的20V絕對(duì)最大電壓額定值決定，考慮到瞬態(tài)電壓尖峰，建議(V{DD})引腳的最大電壓為18V。

UVLO保護(hù)功能具有遲滯特性，可防止電壓波動(dòng)導(dǎo)致的器件誤關(guān)斷。在系統(tǒng)啟動(dòng)和關(guān)機(jī)時(shí)，需要考慮(V{DD})電壓的上升和下降閾值。此外，為了確保器件的穩(wěn)定運(yùn)行，需要在(V{DD})和GND引腳之間提供本地旁路電容，建議使用一個(gè)100nF的陶瓷表面貼裝電容和一個(gè)幾微法的表面貼裝電容并聯(lián)。

4.2 布局建議

在設(shè)計(jì)高速開(kāi)關(guān)電路時(shí)，正確的PCB布局至關(guān)重要。UCC27523/5/6系列柵極驅(qū)動(dòng)器具有短傳播延遲和強(qiáng)大的輸出級(jí)，能夠在功率MOSFET的柵極提供大電流峰值和快速的上升和下降時(shí)間。為了減少高di/dt引起的振鈴，需要遵循以下布局準(zhǔn)則：

• 靠近功率器件：將驅(qū)動(dòng)器器件盡可能靠近功率器件，以減少輸出引腳和功率器件柵極之間的高電流走線長(zhǎng)度。
• 旁路電容：將(V{DD})旁路電容放置在(V{DD})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，如貼片電阻和貼片電容。
• 最小化電流回路：盡量減小導(dǎo)通和關(guān)斷電流回路的路徑，以降低雜散電感。在導(dǎo)通和關(guān)斷瞬變期間，這些回路中的高dI/dt會(huì)在驅(qū)動(dòng)器輸出引腳和功率MOSFET柵極上感應(yīng)出顯著的電壓瞬變。
• 分離電源和信號(hào)走線：將電源走線和信號(hào)走線分開(kāi)，如輸出和輸入信號(hào)。
• 星型接地：采用星型接地方式，將驅(qū)動(dòng)器的GND與其他電路節(jié)點(diǎn)（如功率MOSFET的源極和PWM控制器的地）連接在一個(gè)單點(diǎn)上，連接路徑應(yīng)盡可能短且寬，以減少電感和電阻。
• 接地平面：使用接地平面提供噪聲屏蔽，防止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)單個(gè)走線連接到星型接地點(diǎn)，以建立接地電位，同時(shí)還可幫助散熱。
• 處理未使用通道：在嘈雜環(huán)境中，可能需要使用短走線將UCC27526未使用通道的輸入引腳連接到(V_{DD})（INx+引腳）或GND（INX–引腳），以確保輸出啟用并防止噪聲導(dǎo)致輸出故障。

五、總結(jié)

UCC2752x系列高速柵極驅(qū)動(dòng)器憑借其出色的性能、靈活的配置和豐富的功能，為高速開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求選擇合適的器件，并嚴(yán)格遵循電源供應(yīng)和布局建議，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，確保電路的高效、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。你在使用UCC2752x系列驅(qū)動(dòng)器過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？或者你對(duì)其他高速柵極驅(qū)動(dòng)器也有研究，歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。