德州儀器LM5110：高性能雙路柵極驅(qū)動器的卓越之選

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，柵極驅(qū)動器是不可或缺的關(guān)鍵組件，它在功率MOSFET的快速開關(guān)和降低開關(guān)損耗方面發(fā)揮著重要作用。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的LM5110雙路柵極驅(qū)動器，看看它究竟有哪些獨(dú)特之處。

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一、LM5110的核心特性

1. 強(qiáng)大的驅(qū)動能力

LM5110能夠獨(dú)立驅(qū)動兩個N溝道MOSFET，其復(fù)合CMOS和雙極輸出結(jié)構(gòu)有效降低了輸出電流的變化。它具備5A灌電流和3A拉電流的能力，而且兩個通道還可以并聯(lián)，將驅(qū)動電流提升一倍。這種強(qiáng)大的驅(qū)動能力使得它在處理高負(fù)載的應(yīng)用場景時游刃有余。

2. 快速的響應(yīng)速度

該驅(qū)動器具有快速的傳播時間（典型值為25ns）以及快速的上升和下降時間（在2nF負(fù)載下，上升/下降時間分別為14ns/12ns）?？焖俚捻憫?yīng)速度能夠確保MOSFET在高頻開關(guān)時迅速切換狀態(tài)，有效減少開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的效率。

3. 靈活的供電與輸出配置

LM5110設(shè)有專用的輸入接地引腳（INREF），支持單電源或雙電源操作。其輸出電壓能夠在(V{CC})到(V{EE})之間擺動，(V{EE})相對于輸入接地可以為負(fù)，這為設(shè)計人員提供了更大的靈活性，能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。

4. 豐富的保護(hù)與配置選項(xiàng)

它具備欠壓鎖定保護(hù)功能，能夠防止在電源電壓過低時設(shè)備出現(xiàn)異常工作。同時，還提供了關(guān)斷輸入引腳，可實(shí)現(xiàn)低功耗模式。此外，LM5110有雙同相、雙反相和組合配置等多種選擇，并且采用了與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動器兼容的引腳排列，方便設(shè)計人員進(jìn)行替換和升級。

5. 多樣的封裝形式

LM5110提供了SOIC - 8和WSON - 10（4mm × 4mm）兩種封裝形式，設(shè)計人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的空間和散熱要求進(jìn)行合理選擇。

二、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

1. 同步整流柵極驅(qū)動

在開關(guān)電源中，同步整流技術(shù)能夠顯著提高電源的效率。LM5110憑借其強(qiáng)大的驅(qū)動能力和快速的響應(yīng)速度，能夠?yàn)橥秸鱉OSFET提供穩(wěn)定可靠的驅(qū)動信號，確保整流過程的高效進(jìn)行。

2. 開關(guān)模式電源柵極驅(qū)動

對于開關(guān)模式電源而言，快速的開關(guān)速度和低開關(guān)損耗是關(guān)鍵指標(biāo)。LM5110的快速傳播時間和上升/下降時間，能夠有效滿足開關(guān)模式電源的需求，提高電源的性能和效率。

3. 螺線管和電機(jī)驅(qū)動

在螺線管和電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，需要精確控制電流的通斷和大小。LM5110的高驅(qū)動電流和靈活的輸出配置，能夠?yàn)槁菥€管和電機(jī)提供穩(wěn)定的驅(qū)動信號，實(shí)現(xiàn)精確控制。

三、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

1. 復(fù)合輸出結(jié)構(gòu)

LM5110的每個輸出驅(qū)動級采用了MOS和雙極晶體管并聯(lián)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。雙極器件在MOSFET的關(guān)鍵閾值區(qū)域能夠提供高峰值電流，而MOS器件則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)軌到軌的輸出擺動。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)化了在寬輸出電壓和工作溫度范圍內(nèi)的電流能力，確保了驅(qū)動器在不同條件下都能穩(wěn)定工作。

2. 輸入級與電平轉(zhuǎn)換

驅(qū)動器的控制輸入采用了高阻抗CMOS緩沖器，具有TTL兼容的閾值電壓。內(nèi)部的電平轉(zhuǎn)換電路將邏輯輸入緩沖器與圖騰柱輸出驅(qū)動器相連，通過電平轉(zhuǎn)換電路和獨(dú)立的輸入/輸出接地引腳，實(shí)現(xiàn)了單電源或雙電源配置的選擇。在單正電源驅(qū)動MOSFET柵極時，將IN_REF和(VEE)引腳都連接到電源地即可。

3. 輸出級特性

兩個驅(qū)動通道設(shè)計為相同的單元，集成電路制造過程中的晶體管匹配特性確保了通道的交流和直流性能幾乎相同。這種特性使得雙驅(qū)動器在輸入和輸出引腳連接時可以作為單驅(qū)動器使用，并且并聯(lián)操作時的驅(qū)動電流能力是單個通道的兩倍。不過，在并聯(lián)操作時，需要注意輸入信號的上升和下降時間要足夠快，以避免通道之間的輸入閾值差異和開關(guān)速度差異導(dǎo)致輸出級出現(xiàn)瞬態(tài)電流（直通電流）。

4. 負(fù)偏置關(guān)斷功能

獨(dú)立的輸入/輸出接地為MOSFET提供了施加負(fù)(V_{GS})電壓的能力，從而實(shí)現(xiàn)更可靠的關(guān)斷狀態(tài)。在雙電源配置中，IN_REF引腳連接到控制器的地，(VEE)引腳連接到負(fù)偏置電源，該負(fù)偏置電源的電壓范圍可以從INREF到比(V{CC})低14V。雖然增強(qiáng)型MOSFET本身不需要柵極負(fù)偏置來關(guān)斷，但在一些特定應(yīng)用中，如存在瞬態(tài)或耦合導(dǎo)致柵極電壓無法安全保持在閾值電壓以下、在高結(jié)溫下驅(qū)動低閾值MOSFET以及高開關(guān)速度產(chǎn)生電容性柵 - 漏電流使MOSFET內(nèi)部柵極電位升高的情況下，負(fù)(V_{GS})電壓關(guān)斷功能能夠發(fā)揮重要作用。

四、設(shè)計與應(yīng)用要點(diǎn)

1. 器件選擇

在從LM5110系列中選擇合適的器件時，首先要確定輸出的邏輯類型。LM5110 - 2具有雙反相輸出，LM5110 - 1具有雙同相輸出，LM5110 - 3則具有反相通道A和同相通道B。此外，還需要綜合考慮(V_{CC})、驅(qū)動電流和功耗等因素，以做出最合適的選擇。

2. 并聯(lián)輸出設(shè)計

如果需要將A和B驅(qū)動器組合成一個單驅(qū)動器，可以將INA/INB輸入盡可能靠近IC連接在一起，在不使用外部柵極驅(qū)動電阻的情況下，將OUTA/OUTB輸出連接在一起。若使用外部柵極驅(qū)動電阻，建議將電阻分別平均分配到OUTA和OUTB上，以減少寄生電感引起的通道間不平衡。同時，要確保輸入信號的上升和下降時間足夠快，推薦輸入信號斜率大于20V/μs，以避免通道之間的輸入閾值和傳播延遲差異導(dǎo)致的問題。

3. 電源設(shè)計

LM5110的推薦偏置電源電壓范圍為3.5V至14V，為了防止電源電壓出現(xiàn)瞬態(tài)尖峰，要留出適當(dāng)?shù)挠嗔?。?V_{CC})和INREF引腳之間以及(V{CC})和(VEE)之間必須連接本地旁路電容，并且要盡可能靠近器件放置。建議使用低ESR的陶瓷表面貼裝電容，可采用兩個電容并聯(lián)的方式，一個100nF的陶瓷表面貼裝電容用于高頻濾波，另一個220nF至10μF的表面貼裝電容用于滿足IC的偏置需求。

4. 布局設(shè)計

在進(jìn)行電路板布局時，需要特別注意以下幾點(diǎn)：

• 要在靠近IC的(V{CC})和(VEE)引腳之間連接低ESR/ESL電容，以支持MOSFET開啟時從(V{CC})吸取的高峰值電流。
• 良好的接地至關(guān)重要，驅(qū)動器需要低阻抗的電流回流路徑，避免形成電感環(huán)路。要確保從LM5110的IN - REF引腳到控制驅(qū)動器輸入的電路地以及從LM5110的(VEE)引腳到被驅(qū)動的功率MOSFET源極的電流回流路徑盡可能短且寬，以減少電感和電阻。同時，要將這些接地路徑分開，防止高電流輸出路徑與驅(qū)動LM5110的邏輯信號之間產(chǎn)生耦合?？梢栽诙鄬?a target="_blank">PCB中專門設(shè)置一個銅平面作為公共接地表面。
• 由于LM5110的上升和下降時間在10ns至30ns之間，要盡量縮短載流導(dǎo)體的長度，以減少電感和由高di/dt瞬變產(chǎn)生的EMI。
• LM5110的SOIC封裝引腳布局與其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動器兼容，在標(biāo)準(zhǔn)單電源配置下，只需將LM5110的IN_REF引腳連接到(VEE)（引腳1連接到引腳3）即可。
• 如果某個通道不使用，應(yīng)將相應(yīng)的輸入引腳（IN_A或IN_B）連接到INREF或(V{CC})，以避免產(chǎn)生虛假輸出信號。若不使用關(guān)斷功能，應(yīng)將nSHDN引腳連接到(V_{CC})，防止系統(tǒng)噪聲耦合到浮空的nSHDN引腳導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)不穩(wěn)定行為。

5. 熱管理

在設(shè)計過程中，熱管理是一個不容忽視的問題。要準(zhǔn)確估算IC在最壞工作條件下的最大結(jié)溫，這需要根據(jù)IC的功耗以及IC封裝在應(yīng)用電路板和環(huán)境中的結(jié)到環(huán)境熱阻(theta{JA})來進(jìn)行計算。(theta{JA})并非固定值，它取決于印刷電路板的設(shè)計和工作環(huán)境。

以一個具體例子來說，假設(shè)使用的MOSFET為MTD6N15，其柵極電荷在(V{GATE}=12V)時為30nC，開關(guān)頻率為300kHz。那么，由于柵極電荷導(dǎo)致的MOSFET驅(qū)動器總功耗約為(P{DRIVER}=V{GATE}×Q{G}×F_{SW}=12V×30nC×300kHz = 0.108W)。如果LM5110的兩個通道以相同頻率和等效負(fù)載工作，總損耗將是這個值的兩倍，即0.216W。此外，驅(qū)動器在輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生瞬態(tài)功耗，輸入級和欠壓鎖定部分會消耗靜態(tài)偏置電流產(chǎn)生功耗。在上述例子中，瞬態(tài)功耗為8mW，靜態(tài)功耗為12mW，因此總功耗為(0.216 + 0.008 + 0.012 = 0.236W)。

對于SOIC - 8封裝，(theta{JA})約為114°C/W，根據(jù)公式(T{RISE}=P{D}×theta{JA})，可計算出溫度上升約為(0.236×114≈27°C)。而WSON - 10封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻較低，可達(dá)40°C/W，同樣條件下溫度上升可降低到9.5°C。由此可見，選擇合適的封裝對于熱管理至關(guān)重要。

五、總結(jié)

德州儀器的LM5110雙路柵極驅(qū)動器憑借其強(qiáng)大的驅(qū)動能力、快速的響應(yīng)速度、靈活的配置選項(xiàng)以及豐富的保護(hù)功能，成為了電子工程師在設(shè)計高性能開關(guān)電源、同步整流電路、螺線管和電機(jī)驅(qū)動等應(yīng)用時的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計過程中，只要我們充分考慮器件的選擇、并聯(lián)輸出設(shè)計、電源設(shè)計、布局設(shè)計和熱管理等要點(diǎn)，就能夠充分發(fā)揮LM5110的性能優(yōu)勢，設(shè)計出高效、可靠的電子系統(tǒng)。

你在使用LM5110的過程中遇到過哪些問題？或者對于它的應(yīng)用還有哪些疑問？歡迎在評論區(qū)留言討論！