深入剖析UCC27518和UCC27519單通道高速低側柵極驅動器

在電子設計的領域中，柵極驅動器對于功率開關的驅動起著至關重要的作用。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）的UCC27518和UCC27519單通道高速低側柵極驅動器，這兩款器件在開關電源等應用中有著廣泛的應用前景。

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一、產(chǎn)品概述

UCC27518和UCC27519是單通道、高速、低側柵極驅動器，能夠有效驅動MOSFET和IGBT功率開關。它們采用了一種能將直通電流降至最低的設計，可向容性負載提供和吸收高峰值電流脈沖，具備軌到軌驅動能力，典型傳播延遲僅為17ns。在VDD = 12V時，能提供4A源極和4A漏極（對稱驅動）的峰值驅動電流能力。

二、產(chǎn)品特性亮點

（一）成本與兼容性

這兩款器件成本較低，能很好地替代NPN和PNP分立解決方案，并且與TI的TPS2828和TPS2829器件引腳兼容，為工程師在設計時提供了更多的選擇和便利。

（二）驅動能力

具備4A峰值源極和4A峰值漏極的對稱驅動能力，能夠滿足多種功率開關的驅動需求，確保功率開關的快速、穩(wěn)定切換。

（三）高速性能

快速的傳播延遲（典型值17ns）和快速的上升、下降時間（典型值分別為8ns和7ns），使得在高頻開關應用中，能有效減少脈沖傳輸失真，提高系統(tǒng)的效率和性能。

（四）寬工作范圍

單電源范圍為4.5V至18V，工作溫度范圍為 - 40°C至140°C，這使得它們能夠適應不同的工作環(huán)境和電源條件，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（五）輸入輸出特性

• CMOS輸入邏輯閾值：輸入閾值電壓是VDD電源電壓的函數(shù)，典型的輸入高閾值（VIN - H）為55%VDD，輸入低閾值（VIN - L）為39%VDD，且高低閾值之間有較寬的滯回（典型值16%VDD），這提供了出色的抗噪能力，還允許用戶通過在輸入PWM信號和器件的INx引腳之間使用RC電路來引入延遲。
• 輸出特性：在VDD欠壓鎖定（UVLO）期間輸出保持低電平，確保上電和掉電時無干擾運行；當輸入引腳浮空時，輸出也保持低電平，這是一個重要的安全特性。

（六）使能功能

EN引腳用于使能功能，該引腳可以不連接，方便與TI的其他產(chǎn)品兼容。其閾值為固定電壓閾值，不隨VDD引腳偏置電壓變化，典型的使能高閾值（VEN - H）為2.1V，使能低閾值（VEN - L）為1.25V。

三、應用領域廣泛

UCC27518和UCC27519在多個領域都有重要應用：

（一）開關電源

在開關模式電源和DC - DC轉換器中，它們能夠快速驅動功率開關，減少開關損耗，提高電源的效率和性能。

（二）數(shù)字電源

作為數(shù)字功率控制器的配套柵極驅動器設備，能為數(shù)字電源系統(tǒng)提供穩(wěn)定、高效的驅動能力。

（三）新興功率器件

對于新興的寬帶隙功率器件（如GaN），由于其對驅動要求較高，需要低電壓驅動、低傳播延遲等特性，UCC27518和UCC27519正好滿足這些需求，成為驅動這類器件的理想選擇。

四、詳細特性剖析

（一）VDD和欠壓鎖定（UVLO）

器件的VDD引腳具備內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護功能。當VDD電壓低于開啟閾值（典型值4.2V）或關閉閾值時，電路會將所有輸出保持為低電平，不受輸入狀態(tài)的影響。該功能的滯回特性（典型值300mV）可防止在低VDD電源電壓有噪聲或系統(tǒng)開關時VDD偏置電壓下降時出現(xiàn)抖動。同時，它們能夠在低電壓（如低于5V）下工作，結合出色的開關特性，非常適合驅動GaN寬帶隙功率半導體器件。為了確保高速電路性能，建議在VDD和GND引腳之間使用兩個旁路電容，一個0.1μF的陶瓷電容盡可能靠近引腳放置，另一個較大的電容（如1μF）具有較低的ESR，與之并聯(lián)放置，以提供負載所需的高電流峰值。

（二）工作電源電流

UCC27518和UCC27519的靜態(tài)電流非常低。在欠壓鎖定（UVLO）狀態(tài)和完全導通狀態(tài)（靜態(tài)和開關條件下）的典型工作電源電流在相關圖表中有詳細展示。總電源電流是靜態(tài)電流、由于開關產(chǎn)生的平均電流以及任何與未使用輸入引腳的上拉電阻相關的電流之和。在不同VDD偏置電壓和1.8nF開關負載下，IDD電流隨開關頻率的變化呈現(xiàn)出明顯的線性關系，且與理論值的平均IOUT密切相關，這表明柵極驅動器內(nèi)部的直通電流可以忽略不計，體現(xiàn)了其高速特性。

（三）輸入級

輸入引腳基于CMOS輸入邏輯，閾值電壓是VDD引腳偏置電壓的函數(shù)。這使得它們在高VDD電壓下具有寬滯回特性，能夠接受緩慢的dV/dt輸入信號，并且可以通過在輸入PWM信號和INx引腳之間插入RC電路來編程輸入信號和輸出轉換之間的延遲。

（四）使能功能

使能引腳采用非反相配置（高電平有效操作）。當EN引腳驅動為高電平時，輸出被啟用；驅動為低電平時，輸出被禁用。與輸入引腳不同，使能引腳的閾值基于與TTL/CMOS兼容的輸入閾值邏輯，不隨電源電壓變化。因此，可以使用3.3V和5V微控制器的邏輯信號來有效控制EN引腳。該引腳內(nèi)部通過上拉電阻連接到VDD，默認狀態(tài)下設備輸出是啟用的，所以在不需要使能功能時，EN引腳可以浮空或不連接，這使得UCC27518/19與TI的上一代驅動器TPS2828/9引腳兼容。

（五）輸出級

在VDD = 12V時，UCC27518和UCC27519能夠提供4A源極和4A漏極的對稱驅動。其輸出級采用獨特的架構，在功率開關導通過渡的米勒平臺區(qū)域（功率開關漏極/集電極電壓發(fā)生dV/dt變化時）能夠提供最高的峰值源電流。輸出級采用混合上拉結構，使用N溝道和P溝道MOSFET器件并聯(lián)排列。在輸出從低電平變?yōu)楦唠娖綍r，短暫地導通N溝道MOSFET，能夠提供峰值源電流的短暫提升，實現(xiàn)快速導通。輸出電壓在VDD和GND之間擺動，實現(xiàn)軌到軌操作，由于MOS輸出級的壓降非常低。MOSFET體二極管對開關過沖和下沖提供低阻抗，在很多情況下可以省去外部肖特基二極管鉗位。輸出設計能夠承受500mA的反向電流，而不會損壞設備或導致邏輯故障。

（六）低傳播延遲

在VDD = 12V時，輸入到輸出的傳播延遲典型值為17ns，這在業(yè)界標準的柵極驅動器器件中處于領先水平，能夠保證高頻開關應用中脈沖傳輸失真最小。并且傳播延遲隨溫度和電源電壓的變化很小，在整個應用條件范圍內(nèi)典型傳播延遲小于20ns。

五、應用與設計實現(xiàn)

（一）設計要求

在為最終應用選擇合適的柵極驅動器時，需要考慮多個設計參數(shù)，如輸入到輸出的配置（反相或同相）、輸入閾值類型（如CMOS類型）、VDD偏置電源電壓、峰值源極和漏極電流、是否需要獨立的使能和禁用功能、傳播延遲以及封裝類型等。

（二）詳細設計步驟

1. 輸入到輸出邏輯

如果希望在輸入信號為高電平時導通功率MOSFET或IGBT，應選擇同相配置；如果希望在輸入信號為高電平時關斷功率MOSFET或IGBT，則應選擇反相配置。UCC27518和UCC27519分別遵循反相和同相邏輯。

2. 輸入閾值類型

UCC27518和UCC27519采用CMOS輸入閾值邏輯，具有較寬的滯回特性。該邏輯的閾值電壓是VDD引腳偏置電壓的函數(shù)，典型的高閾值為VDD電源電壓的55%，低閾值為39%（在VDD = 12V時），滯回典型值為16%VDD。與邏輯電平閾值器件相比，CMOS邏輯提供的閾值電壓絕對值更高，這帶來了更好的抗噪能力，并且能夠接受緩慢的dV/dt輸入信號，允許設計師在輸入引腳使用RCD電路來編程傳播延遲。但需要注意的是，由于CMOS輸入邏輯的特性，UCC27518和UCC27519不能直接由微控制器、數(shù)字功率控制器或DSP的邏輯電平控制信號驅動，更適合由與柵極驅動器器件使用相同VDD電壓的模擬控制器驅動。

3. VDD偏置電源電壓

施加到器件VDD引腳的偏置電源電壓不應超過推薦工作條件中列出的值。不同的功率開關需要不同的柵極電壓來實現(xiàn)有效的導通和關斷。UCC27518和UCC27519具有4.5V至18V的寬工作范圍，可用于驅動多種功率開關，如Si MOSFET、IGBT和寬帶隙功率半導體（如GaN）。

4. 峰值源極和漏極電流

為了最小化開關功率損耗，功率開關在導通和關斷時的開關速度應盡可能快。柵極驅動器必須能夠提供所需的峰值電流，以實現(xiàn)目標功率MOSFET的目標開關速度。例如，在一個特定的應用中，要求SPP20N60C3功率MOSFET在400V直流母線電壓下以20V/ns或更高的dVDS/dt導通，經(jīng)計算需要柵極驅動器提供1.65A或更高的峰值電流，而UCC27518和UCC27519能夠提供4A的峰值源電流，滿足設計要求。但在實際設計中，PCB柵極驅動電路中的寄生走線電感會影響功率MOSFET的開關速度，因此應將柵極驅動器靠近功率MOSFET放置，設計一個具有最小PCB走線電感的緊密柵極驅動環(huán)路，以實現(xiàn)柵極驅動器的全峰值電流能力。

5. 使能和禁用功能

某些應用需要獨立控制驅動器的輸出狀態(tài)，而不涉及輸入信號。UCC27518和UCC27519提供的使能引腳可以滿足這一需求。

6. 傳播延遲

柵極驅動器的可接受傳播延遲取決于其使用的開關頻率以及系統(tǒng)可接受的脈沖失真水平。UCC27518和UCC27519具有業(yè)界領先的17ns（典型值）傳播延遲，確保脈沖失真極小，允許在非常高的頻率下工作。

六、電源供應與布局建議

（一）電源供應建議

UCC27518和UCC27519的額定工作偏置電源電壓范圍為4.5V至18V。較低的電壓范圍由VDD引腳電源電路塊上的內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護功能決定，當VDD引腳電壓低于開啟閾值時，輸出保持低電平。較高的電壓范圍受VDD引腳20V的絕對最大電壓額定值限制，建議最大電壓為18V，以留出2V的余量應對瞬態(tài)電壓尖峰。UVLO保護功能還具有滯回特性，在電壓下降時，只要不超過滯回規(guī)格，設備將繼續(xù)正常工作。在系統(tǒng)關閉期間，設備將繼續(xù)工作直到VDD引腳電壓低于關閉閾值；在系統(tǒng)啟動時，設備要等到VDD引腳電壓超過開啟閾值才開始工作。為了去耦，應在VDD和GND引腳之間提供本地旁路電容，并盡可能靠近設備放置，建議使用一個100nF的陶瓷表面貼裝電容和一個幾微法的表面貼裝電容并聯(lián)。

（二）布局建議

1. 布局準則

• 靠近功率器件：將驅動器設備盡可能靠近功率器件放置，以最小化輸出引腳和功率器件柵極之間的高電流走線長度。
• 旁路電容放置：將VDD旁路電容放置在VDD和GND之間，盡可能靠近驅動器，減少走線長度，以提高噪聲過濾效果。建議使用低電感的SMD組件，如片式電阻器和片式電容器。
• 最小化電流環(huán)路：盡量減小導通和關斷電流環(huán)路路徑（驅動器設備、功率MOSFET和VDD旁路電容）的面積，以將雜散電感降至最低。因為在導通和關斷瞬變期間，這些環(huán)路中會建立高dI/dt，可能會在驅動器設備的輸出引腳和功率開關的柵極上感應出顯著的電壓瞬變。
• 并行走線：在可能的情況下，將源極和返回走線并行放置，利用磁通抵消原理減少干擾。
• 分離信號和功率走線：將功率走線和信號走線（如輸出和輸入信號）分開，以減少干擾。
• 星型接地：采用星型接地方法，將驅動器的GND連接到其他電路節(jié)點（如功率開關的源極、PWM控制器的地等）的單點上，連接路徑應盡可能短以減少電感，盡可能寬以減少電阻。
• 使用接地平面：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間在轉換期間干擾輸入信號。接地平面不應作為任何電流環(huán)路的傳導路徑，而應通過一條單一的走線連接到星型接地，以建立接地電位，同時接地平面還可以幫助散熱。

2. 熱考慮

驅動器的有用范圍受負載的驅動功率要求和封裝的熱特性影響。為了使柵極驅動器在特定溫度范圍內(nèi)正常工作，封裝必須能夠有效地散熱，同時保持結溫在額定范圍內(nèi)。詳細的熱信息可參考德州儀器的應用筆記《IC封裝熱指標》（SPRA953）。

3. 功率損耗

柵極驅動器的功率損耗分為直流部分（PDC）和開關部分（PSW）。直流部分的功率損耗PDC = IQ ×VDD，其中IQ是驅動器的靜態(tài)電流。UCC27518和UCC27519的靜態(tài)電流非常低（小于1mA），并且內(nèi)部邏輯消除了輸出驅動器級的直通電流，因此直流部分的功率損耗可以忽略不計。開關部分的功率損耗PSW取決于功率器件所需的柵極電荷、開關頻率和外部柵極電阻的使用。可以通過相關公式計算功率損耗，當使用外部柵極電阻時，功率損耗將在驅動器的內(nèi)部電阻和外部柵極電阻之間按電阻比例分配。

七、總結

UCC27518和UCC27519單通道高速低側柵極驅動器憑借其出色的性能、廣泛的應用范圍和靈活的設計特性，成為電子工程師在開關電源、數(shù)字電源以及新興寬帶隙功率器件驅動等領域的理想選擇。在實際設計中，工程師需要充分考慮其各項特性和設計要求，合理布局和選擇電源，以確保系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運行。大家在使用這兩款驅動器的過程中，有沒有遇到過一些獨特的問題或者有什么特別的經(jīng)驗呢？歡迎在評論區(qū)留言分享。