深度解析UCC2752x系列高速柵極驅(qū)動器

在當(dāng)今的電子世界里，高速、高效的柵極驅(qū)動器對于各類開關(guān)電源應(yīng)用來說至關(guān)重要。TI的UCC2752x系列產(chǎn)品就是這樣一群值得我們深入研究的佼佼者，下面就讓我們一起揭開它們的神秘面紗。

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一、UCC2752x概述

UCC2752x系列屬于TI最新一代的雙通道、低側(cè)、高速柵極驅(qū)動器，具備5A的源電流和灌電流能力，還擁有業(yè)界一流的開關(guān)特性。其涵蓋UCC27523、UCC27525和UCC27526三款產(chǎn)品，能在高頻開關(guān)電源電路中實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定且可靠的運(yùn)行。該系列產(chǎn)品提供了三種標(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)動器。

二、產(chǎn)品特性剖析

1. VDD與欠壓鎖定（UVLO）
   • UCC2752x在VDD引腳供電電路塊上設(shè)有內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能。當(dāng)VDD電壓上升但仍低于UVLO閾值時(shí)，無論輸入狀態(tài)如何，輸出都會保持低電平。UVLO典型值為4.2V，具有300mV的典型遲滯，這能有效防止低VDD電源電壓因噪聲或系統(tǒng)開關(guān)時(shí)的電壓下降而產(chǎn)生抖動。
   • 例如在電源上電時(shí)，若使能引腳處于激活或浮空狀態(tài)，驅(qū)動器輸出會保持低電平，直到VDD電壓達(dá)到UVLO閾值。為實(shí)現(xiàn)最佳高速電路性能，建議在VDD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)盡可能靠近驅(qū)動器引腳，再并聯(lián)一個(gè)較大容量（如1μF）且等效串聯(lián)電阻（ESR）較低的電容。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中有沒有遇到過因?yàn)閁VLO設(shè)置不當(dāng)而導(dǎo)致的問題呢？
2. 工作電源電流
   • UCC2752x產(chǎn)品的靜態(tài)IDD電流極低。在UVLO狀態(tài)和完全導(dǎo)通狀態(tài)（靜態(tài)和開關(guān)條件下）的典型工作電源電流可參考相關(guān)圖表?？傠娫措娏饔伸o態(tài)IDD電流、開關(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)電流組成。
   • 通過已知的工作頻率（fSW）和MOSFET柵極電荷（QG），可計(jì)算出平均IOUT電流。其在不同VDD偏置電壓和1.8nF開關(guān)負(fù)載下，IDD電流隨開關(guān)頻率的變化呈線性，這表明柵極驅(qū)動器內(nèi)部的直通電流可忽略不計(jì)，體現(xiàn)了其高速特性。
3. 輸入級
   • 輸入引腳采用與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2.1V，低閾值為1.2V，能方便地由3.3V和5V數(shù)字電源控制器設(shè)備的PWM控制信號驅(qū)動。較寬的遲滯（典型值0.9V）相比傳統(tǒng)TTL邏輯，增強(qiáng)了抗噪聲能力。
   • UCC27523/5每個(gè)通道有一個(gè)輸入引腳，而UCC27526則為每個(gè)通道提供兩個(gè)輸入引腳的雙輸入配置，用戶可靈活選擇同相或反相輸入引腳驅(qū)動通道。同時(shí)，當(dāng)輸入引腳浮空時(shí)，輸出會通過內(nèi)部上拉或下拉電阻保持低電平，這是一個(gè)重要的安全特性。在使用多輸入引腳的器件時(shí)，如何合理配置輸入是一個(gè)值得思考的問題，你有什么好的經(jīng)驗(yàn)嗎？
4. 使能功能
   • UCC27523/5設(shè)有獨(dú)立的使能引腳ENx，采用同相配置（高電平有效），可獨(dú)立控制每個(gè)驅(qū)動器通道的操作。使能引腳同樣基于與TTL和CMOS兼容的輸入閾值邏輯，可由3.3V和5V微控制器的邏輯信號有效控制。在默認(rèn)狀態(tài)下，ENx引腳通過上拉電阻連接到VDD，輸出處于使能狀態(tài)，因此在不需要使能功能的標(biāo)準(zhǔn)操作中，可將ENx引腳浮空。
   • UCC27526沒有專用的使能引腳，但可通過未使用的輸入引腳實(shí)現(xiàn)使能/禁用功能。需要注意的是，UCC27526的輸入引腳不能浮空，否則輸出會被禁用。
5. 輸出級
   • 輸出級的上拉結(jié)構(gòu)采用獨(dú)特架構(gòu)，在功率開關(guān)導(dǎo)通轉(zhuǎn)換的米勒平臺區(qū)域能提供最大的峰值源電流。上拉結(jié)構(gòu)由一個(gè)P溝道MOSFET和一個(gè)額外的N溝道MOSFET并聯(lián)組成，N溝道MOSFET在輸出從低到高轉(zhuǎn)換的瞬間短暫導(dǎo)通，提供峰值電流提升。
   • 下拉結(jié)構(gòu)由一個(gè)N溝道MOSFET組成。每個(gè)輸出級可提供5A的峰值源電流和灌電流脈沖，輸出電壓在VDD和GND之間擺動，實(shí)現(xiàn)軌到軌操作。MOSFET體二極管還能為開關(guān)過沖和下沖提供低阻抗，在很多情況下可省去外部肖特基二極管鉗位。此外，輸出可承受500mA的反向電流而不損壞或出現(xiàn)邏輯故障。
6. 低傳播延遲和緊密匹配的輸出
   • UCC2752x驅(qū)動器具有業(yè)界領(lǐng)先的典型13ns輸入到輸出傳播延遲，能有效減少高頻開關(guān)應(yīng)用中的脈沖傳輸失真。兩個(gè)通道之間的內(nèi)部傳播延遲典型匹配精度為1ns，這對于需要雙柵極驅(qū)動和關(guān)鍵時(shí)序的應(yīng)用非常有益。
   • 不過，在直接連接OUTA和OUTB引腳時(shí)需謹(jǐn)慎，因?yàn)橥ǖ乐g的延遲可能導(dǎo)致直通電流。建議使用快速dV/dt輸入信號（20V/μs或更高），并盡可能靠近器件引腳連接INA和INB，必要時(shí)可在OUTA和OUTB串聯(lián)柵極電阻。

三、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 應(yīng)用信息
   • 在開關(guān)電源應(yīng)用中，高電流柵極驅(qū)動器不可或缺。它能實(shí)現(xiàn)功率器件的快速開關(guān)，減少開關(guān)功率損耗；在PWM控制器無法直接驅(qū)動開關(guān)器件時(shí)，可提供電平轉(zhuǎn)換和緩沖驅(qū)動功能；還能減少高頻開關(guān)噪聲的影響，驅(qū)動?xùn)艠O驅(qū)動變壓器，控制浮動功率器件柵極，并將柵極電荷功率損耗從控制器轉(zhuǎn)移，降低控制器的功耗和熱應(yīng)力。
   • 新興的寬帶隙功率器件技術(shù)，如基于GaN的開關(guān)，對柵極驅(qū)動能力提出了新要求，如在低VDD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、低電感且熱性能良好的封裝，UCC2752x系列正好滿足這些需求。
2. 典型應(yīng)用
   • 在選擇合適的柵極驅(qū)動器時(shí)，需要考慮輸入到輸出邏輯、VDD、UVLO、驅(qū)動電流和功率耗散等設(shè)計(jì)要求。
   • UCC27523可提供帶使能控制的雙反相輸入到輸出；UCC27525可實(shí)現(xiàn)一個(gè)反相和一個(gè)同相輸入到輸出控制；UCC27526的每個(gè)通道可通過INx–或INx+引腳配置為反相或同相輸入到輸出。使能/禁用功能在不同器件中有不同的實(shí)現(xiàn)方式，UCC27523/5通過獨(dú)立使能引腳控制，UCC27526則通過未使用的輸入引腳實(shí)現(xiàn)。
   • 驅(qū)動電流和功率耗散與功率MOSFET的柵極電荷、開關(guān)頻率和外部柵極電阻有關(guān)。UCC2752x由于靜態(tài)電流低且輸出驅(qū)動器級無直通電流，對功率耗散的影響可忽略不計(jì)。

四、電源供應(yīng)建議

UCC2752x的額定工作偏置電源電壓范圍為4.5V至18V，下限由VDD引腳的UVLO保護(hù)功能決定，上限受VDD引腳20V絕對最大電壓額定值限制，考慮到瞬態(tài)電壓尖峰，建議VDD引腳最大電壓為18V。 UVLO保護(hù)還具有遲滯功能，在VDD電壓波動時(shí)能確保器件正常工作。為保證器件穩(wěn)定運(yùn)行，需在VDD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)。

五、布局要點(diǎn)

1. 布局指南
   • 對于高速、大電流的UCC2752x系列柵極驅(qū)動器，合理的PCB布局至關(guān)重要。應(yīng)將驅(qū)動器盡可能靠近功率器件，以縮短輸出引腳與功率器件柵極之間的高電流走線長度；將VDD旁路電容盡可能靠近驅(qū)動器，減少走線長度，提高噪聲濾波效果；最小化導(dǎo)通和關(guān)斷電流回路路徑，降低雜散電感；并行源極和返回走線，利用磁通抵消；分離功率走線和信號走線；采用星型接地，減少不同電流回路之間的噪聲耦合；使用接地平面提供噪聲屏蔽和輔助散熱；在噪聲環(huán)境中，將UCC27526未使用通道的輸入引腳連接到VDD或GND，防止輸出出現(xiàn)故障。
   • 此外，在使用UCC2752x替換UCC2732x/UCC2742x時(shí)，要注意UCC2752x具有更強(qiáng)的驅(qū)動能力和更快的速度。
2. 熱考慮
   • UCC2752x系列提供多種封裝選項(xiàng)，以滿足不同的應(yīng)用需求。其中DSD和DGN封裝在散熱能力方面表現(xiàn)出色，它們通過底部的外露熱焊盤將熱量從半導(dǎo)體結(jié)傳遞到印刷電路板，降低熱阻。在PCB布局時(shí)，應(yīng)將外露焊盤連接到GND，以提高電磁干擾（EMI）免疫力。

六、總結(jié)

UCC2752x系列高速柵極驅(qū)動器憑借其出色的性能、豐富的功能和多樣的封裝選項(xiàng)，在開關(guān)電源應(yīng)用中具有廣闊的前景。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，需根據(jù)具體應(yīng)用需求，綜合考慮其各項(xiàng)特性，合理進(jìn)行布局和電源設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮該系列產(chǎn)品的優(yōu)勢。你在使用類似柵極驅(qū)動器時(shí)，有沒有遇到過一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)和解決方案呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。