Texas Instruments LM5100A/B/C和LM5101A/B/C高壓柵極驅(qū)動器深度解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域中，柵極驅(qū)動器是功率轉(zhuǎn)換電路中至關(guān)重要的組成部分，它能夠?qū)崿F(xiàn)對MOSFET的高效驅(qū)動，提高功率轉(zhuǎn)換效率，降低開關(guān)損耗。Texas Instruments（TI）推出的LM5100A/B/C和LM5101A/B/C高壓柵極驅(qū)動器就是該領(lǐng)域的杰出代表，下面我們將對這些產(chǎn)品進行詳細剖析。

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一、產(chǎn)品概述

LM5100A/B/C和LM5101A/B/C系列產(chǎn)品旨在驅(qū)動同步降壓或半橋配置中的高端和低端N溝道MOSFET。浮動高端驅(qū)動器能夠在高達100V的電源電壓下工作，不同版本（A、B、C）提供了不同的柵極驅(qū)動電流（3A、2A、1A），以滿足多樣化的設(shè)計需求。同時，這些產(chǎn)品采用CMOS（LM5100A/B/C）或TTL（LM5101A/B/C）輸入閾值，實現(xiàn)輸出的獨立控制。

（一）產(chǎn)品特性

1. 集成高壓二極管：內(nèi)置高壓二極管用于為高端柵極驅(qū)動自舉電容充電，確保了驅(qū)動電路的可靠運行。
2. 高速低功耗電平轉(zhuǎn)換器：強大的電平轉(zhuǎn)換器能夠在高速運行的同時消耗較低的功率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)從控制邏輯到高端柵極驅(qū)動器的清晰電平轉(zhuǎn)換。
3. 欠壓鎖定保護：在低端和高端電源軌上均提供欠壓鎖定（UVLO）保護，防止在電源電壓不足時誤操作。
4. 多種封裝選項：提供標準的SOIC - 8引腳、SO PowerPAD - 8引腳、WSON - 10引腳封裝，其中LM5100C和LM5101C還提供MSOP - PowerPAD - 8封裝，LM5101A還提供WSON - 8引腳封裝，方便不同應用場景的設(shè)計。
5. 快速傳播時間：典型傳播時間為25ns，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的開關(guān)動作，減少開關(guān)損耗。
6. 出色的負載驅(qū)動能力：能夠驅(qū)動1000 - pF負載，上升和下降時間僅為8ns。
7. 良好的傳播延遲匹配：典型延遲匹配為3ns，確保高端和低端驅(qū)動器的同步性。

（二）應用領(lǐng)域

1. 電流饋電推挽轉(zhuǎn)換器：在需要高效功率轉(zhuǎn)換的應用中，如通信電源、工業(yè)電源等，能夠發(fā)揮出色的性能。
2. 半橋和全橋功率轉(zhuǎn)換器：為電機驅(qū)動、逆變器等應用提供穩(wěn)定可靠的驅(qū)動能力。
3. 同步降壓轉(zhuǎn)換器：廣泛應用于各種電子設(shè)備的電源模塊中，提高電源效率。
4. 雙開關(guān)正激功率轉(zhuǎn)換器和有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器：在高功率密度的電源設(shè)計中具有重要作用。

二、電氣特性與規(guī)格

（一）絕對最大額定值

了解產(chǎn)品的絕對最大額定值對于確保其安全可靠運行至關(guān)重要。LM5100A/B/C和LM5101A/B/C的絕對最大額定值包括電源電壓（VDD到VSS：?0.3V至18V）、自舉電容電壓（HB到HS：?0.3V至18V）、輸入電壓范圍（LI或HI輸入：?0.3V到VDD + 0.3V）等。在設(shè)計過程中，必須嚴格遵守這些額定值，避免對設(shè)備造成永久性損壞。

（二）ESD額定值

這些設(shè)備具備一定的靜電放電（ESD）保護能力，人體模型（HBM）為±2000V（部分引腳為1000V），靜電機器模型（MM）根據(jù)不同選項有所不同（Option A：50V；Option B和C：100V）。在儲存和處理過程中，仍需采取適當?shù)腅SD防護措施，如將引腳短接或放置在導電泡沫中。

（三）推薦工作條件

為了確保設(shè)備的最佳性能，推薦的工作條件包括電源電壓（VDD：9V至14V）、高端源極電壓（HS： - 1V至100V）、自舉電容電壓（HB：VHS + 8V至VHS + 14V）等。同時，HS的壓擺率應小于50V/ns，結(jié)溫范圍為 - 40°C至125°C。

（四）電氣特性參數(shù)

該系列產(chǎn)品的電氣特性參數(shù)包括電源電流（VDD靜態(tài)電流、工作電流等）、輸入引腳參數(shù)（輸入電壓閾值、輸入電壓遲滯等）、欠壓保護參數(shù)（VDD上升閾值、閾值遲滯等）、自舉二極管參數(shù)（正向電壓、動態(tài)電阻等）以及輸出驅(qū)動器參數(shù)（低電平輸出電壓、高電平輸出電壓、峰值拉電流和灌電流等）。這些參數(shù)在不同的工作溫度和測試條件下可能會有所變化，需要在設(shè)計時進行仔細考慮。

（五）開關(guān)特性

開關(guān)特性對于功率轉(zhuǎn)換電路的性能至關(guān)重要。LM5100A/B/C和LM5101A/B/C的開關(guān)特性包括傳播延遲、上升和下降時間、最小輸入脈沖寬度、自舉二極管反向恢復時間等。在不同版本和不同測試條件下，這些參數(shù)會有所差異，設(shè)計時需要根據(jù)具體需求進行選擇和優(yōu)化。

三、功能詳細描述

（一）啟動和欠壓鎖定（UVLO）

高端和低端驅(qū)動器均包含欠壓鎖定（UVLO）保護電路，分別監(jiān)測電源電壓（VDD）和自舉電容電壓（VHB - HS）。在電源電壓不足時，UVLO電路會抑制驅(qū)動器輸出，直到電源電壓達到能夠開啟外部MOSFET的水平。同時，內(nèi)置的UVLO遲滯功能可以防止在電源電壓過渡期間出現(xiàn)抖動。當電源電壓施加到VDD引腳時，低端和高端輸出將保持低電平，直到VDD超過UVLO閾值（典型值約為6.6V）。自舉電容的任何UVLO條件將僅禁用高端輸出（HO）。

（二）電平轉(zhuǎn)換

電平轉(zhuǎn)換電路是高端輸入到高端驅(qū)動器級的接口，該接口參考開關(guān)節(jié)點（HS）。電平轉(zhuǎn)換允許以HS引腳為參考控制HO輸出，并與低端驅(qū)動器實現(xiàn)出色的延遲匹配。這確保了高端和低端MOSFET的同步驅(qū)動，提高了功率轉(zhuǎn)換效率。

（三）自舉二極管

LM5100/1系列產(chǎn)品內(nèi)置了自舉二極管，用于產(chǎn)生高端偏置電壓。二極管陽極連接到VDD，陰極連接到VHB。當自舉電容連接到HB和HS引腳時，在每個開關(guān)周期中，當HS過渡到地時，自舉電容的電荷會得到刷新。自舉二極管具有快速恢復時間、低二極管電阻和電壓額定裕量，能夠?qū)崿F(xiàn)高效可靠的運行。

（四）輸出級

輸出級是功率MOSFET的接口，具有高轉(zhuǎn)換速率、低電阻和高峰值電流能力，能夠?qū)崿F(xiàn)功率MOSFET的高效開關(guān)。低端輸出級參考VDD到VSS，高端輸出級參考VHB到VHS。

（五）設(shè)備功能模式

四、應用與實現(xiàn)

（一）應用信息

在功率半導體器件的控制中，強大的柵極驅(qū)動器是必不可少的。它能夠?qū)崿F(xiàn)功率器件的快速開關(guān)，減少開關(guān)功率損耗。同時，當PWM控制器無法直接驅(qū)動開關(guān)器件的柵極時，柵極驅(qū)動器能夠有效地結(jié)合電平轉(zhuǎn)換和緩沖驅(qū)動功能。LM5100A/B/C和LM5101A/B/C系列產(chǎn)品能夠滿足半橋/全橋配置或同步降壓電路中高端和低端N溝道MOSFET的驅(qū)動需求，其浮動高端驅(qū)動器可在高達100V的電源電壓下工作，適用于多種拓撲結(jié)構(gòu)。

（二）典型應用示例

以LM5101A驅(qū)動半橋配置的MOSFET為例，詳細介紹設(shè)計過程：

1. 設(shè)計要求：選擇合適的MOSFET（如CSD18531Q5A），確定電源電壓（VDD = 10V）、最大柵極電荷（Qgmax = 43nC）、開關(guān)頻率（Fsw = 100kHz）、最大占空比（Dmax = 95%）等參數(shù)。
2. 詳細設(shè)計步驟：
   • 選擇自舉電容和VDD電容：自舉電容必須在正常運行的任何情況下保持HB引腳電壓高于UVLO電壓。通過計算最大允許的自舉電容壓降（ΔVHB）和總電荷量（QTOTAL），確定自舉電容（CBOOT）的值。實際應用中，CBOOT的值應比計算值大，以應對負載瞬變等情況。同時，VDD旁路電容的值應為CBOOT的10倍，并且應選擇陶瓷類型、X7R介電常數(shù)的電容，其電壓額定值應為最大VDD的兩倍。
   • 計算電流和功率損耗：計算通過自舉二極管的峰值電流（DBOOT(pk)）、高端和低端輸出的峰值電流（HOH、LOH）以及柵極驅(qū)動器的功率損耗（PDGATES）。內(nèi)部自舉二極管的功率損耗包括正向偏置功耗和反向恢復功耗，較大的容性負載和較高的輸入電壓會導致更多的損耗。如果二極管損耗較大，可以并聯(lián)一個外部二極管來降低IC內(nèi)部的功耗。
   • 應用曲線分析：通過分析HI/LI到HO/LO的導通和關(guān)斷傳播延遲曲線，以及柵極驅(qū)動器功率損耗和二極管功率損耗與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線，進一步優(yōu)化設(shè)計。

（三）電源供應建議

設(shè)備的偏置電源電壓范圍為9V至14V，其下限由VDD引腳電源電路中的內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護功能決定，上限由VDD引腳的絕對最大電壓額定值（18V）決定。為了防止電壓波動觸發(fā)設(shè)備關(guān)機，在9V附近工作時，應確保輔助電源輸出的電壓紋波小于設(shè)備的遲滯規(guī)格。在系統(tǒng)啟動和關(guān)機過程中，需要考慮UVLO保護功能對設(shè)備運行的影響。同時，為了提供穩(wěn)定的電源，應在VDD和GND引腳之間以及HB和HS引腳之間分別連接低ESR的本地去耦電容。

五、布局設(shè)計

在電路板布局設(shè)計中，需要充分考慮以下幾點，以確保高端和低端柵極驅(qū)動器的最佳性能：

1. 電容布局：在VDD和VSS引腳之間以及HB和HS引腳之間連接低ESR/ESL電容，以支持外部MOSFET導通時從VDD汲取的高峰值電流。
2. 防止電壓瞬變：在頂部MOSFET的漏極和地（VSS）之間連接低ESR電解電容，以防止頂部MOSFET漏極出現(xiàn)大的電壓瞬變。
3. 降低寄生電感：盡量減小頂部MOSFET源極和底部MOSFET（同步整流器）漏極中的寄生電感，以避免開關(guān)節(jié)點（HS引腳）出現(xiàn)大的負向瞬變。
4. 接地考慮：將為MOSFET柵極充電和放電的高峰值電流限制在最小的物理區(qū)域內(nèi)，以減小環(huán)路電感，降低MOSFET柵極端子的噪聲問題。同時，應最小化自舉電容、自舉二極管、本地接地旁路電容和低端MOSFET體二極管組成的高電流路徑的長度和面積，確保設(shè)備的可靠運行。

六、設(shè)備與文檔支持

（一）文檔支持

TI提供了豐富的相關(guān)文檔，包括AN - 1187、AN - 1317和Semiconductor and IC Package Thermal Metrics等應用筆記，幫助工程師更好地了解和使用這些產(chǎn)品。

（二）相關(guān)鏈接

通過快速訪問鏈接，工程師可以獲取技術(shù)文檔、支持和社區(qū)資源、工具和軟件等，還可以方便地進行樣品申請或購買。

（三）社區(qū)資源

TI的E2E?在線社區(qū)和Design Support為工程師提供了交流和協(xié)作的平臺，工程師可以在這里提出問題、分享知識、探索想法并解決問題。

七、總結(jié)

LM5100A/B/C和LM5101A/B/C高壓柵極驅(qū)動器以其豐富的特性、出色的性能和廣泛的應用領(lǐng)域，成為電子工程師在功率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計中的理想選擇。在實際應用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計要求，仔細考慮產(chǎn)品的電氣特性、功能模式、應用設(shè)計和布局設(shè)計等方面，以確保設(shè)計的可靠性和高效性。同時，充分利用TI提供的文檔支持和社區(qū)資源，能夠更好地解決設(shè)計過程中遇到的問題，推動電子設(shè)備的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。你在使用這些產(chǎn)品的過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。