解析UCC20520：高性能隔離雙路柵極驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)探秘

在現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，柵極驅(qū)動(dòng)器是至關(guān)重要的組件。德州儀器（TI）推出的UCC20520隔離雙路柵極驅(qū)動(dòng)器便是一款具有卓越性能和廣泛適用性的產(chǎn)品。下面我將從特性、應(yīng)用、技術(shù)細(xì)節(jié)等多個(gè)方面為大家深入解析UCC20520。

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一、UCC20520特性速覽

1. 輸入輸出特性

UCC20520采用單輸入雙輸出設(shè)計(jì)，其輸入與TTL和CMOS兼容，輸入VCCI范圍為3 - 18V，能與數(shù)字和模擬控制器輕松接口。輸出方面，可提供4A峰值源電流和6A峰值灌電流，輸出驅(qū)動(dòng)電源VDD最高可達(dá)25V。

2. 電氣性能

在開關(guān)參數(shù)上表現(xiàn)出色，典型傳播延遲為19ns，最小脈沖寬度為10ns，最大延遲匹配為5ns，最大脈沖寬度失真為6ns。其共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）大于100V/ns，浪涌抗擾度高達(dá)12.8kV，隔離屏障壽命超過40年。

3. 溫度與封裝

工作溫度范圍為 -40°C至125°C，能適應(yīng)多種惡劣環(huán)境。采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的寬體SOIC - 16（DW）封裝。

4. 安全認(rèn)證

獲得了多項(xiàng)安全相關(guān)和法規(guī)認(rèn)證，如符合DIN V VDE V 0884 - 11:2017 - 01的8000V??隔離、UL 1577的5700V???一分鐘隔離，以及CSA、CQC等認(rèn)證。

二、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

1. 電源轉(zhuǎn)換

適用于離線AC - DC電源中的隔離式轉(zhuǎn)換器，可提高電源的效率和穩(wěn)定性。

2. 基礎(chǔ)設(shè)施

在服務(wù)器、電信、IT和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施中，能為各種設(shè)備提供可靠的驅(qū)動(dòng)支持。

3. 能源領(lǐng)域

可用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、DC - AC太陽能逆變器、不間斷電源（UPS）以及HEV和BEV電池充電器等，推動(dòng)能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的高效進(jìn)行。

4. 其他應(yīng)用

還可用于LED照明和感應(yīng)加熱等領(lǐng)域。

三、技術(shù)細(xì)節(jié)解析

1. 功能框圖與引腳

UCC20520的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，輸入側(cè)通過5.7kV???的強(qiáng)化隔離屏障與兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器隔離，兩個(gè)次級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器之間具有內(nèi)部功能隔離，允許最高1500VDC的工作電壓。引腳方面，PWM為輸入引腳，OUTA和OUTB為輸出引腳，分別連接到A通道和B通道FET或IGBT的柵極，還有多個(gè)電源和接地引腳。

2. 規(guī)格參數(shù)

• 絕對(duì)最大額定值：規(guī)定了器件在不損壞的情況下所能承受的最大應(yīng)力，如OUTA到VSSA、OUTB到VSSB的瞬態(tài)電壓等。
• ESD額定值：人體模型（HBM）為±4000V，充電設(shè)備模型（CDM）為±1500V，體現(xiàn)了其一定的靜電防護(hù)能力。
• 推薦工作條件：明確了正常工作時(shí)的電壓、溫度等范圍。
• 熱信息：給出了如結(jié)到環(huán)境、結(jié)到外殼等的熱阻參數(shù)，幫助工程師進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。
• 功率額定值：包括器件總功耗、初級(jí)側(cè)功耗和次級(jí)驅(qū)動(dòng)器側(cè)功耗等。
• 絕緣規(guī)格：涉及絕緣距離、材料組、過電壓類別、最大隔離電壓等多項(xiàng)參數(shù)，確保了良好的絕緣性能。
• 電氣特性：涵蓋了電源電流、欠壓鎖定閾值、PWM和禁用輸入電壓等參數(shù)。
• 開關(guān)特性：如輸出上升和下降時(shí)間、最小脈沖寬度、傳播延遲、脈沖寬度失真和延遲匹配等，這些參數(shù)決定了其開關(guān)性能。

3. 特性描述

欠壓鎖定（UVLO）

UCC20520在VDD和VCCI電源電路塊上都有內(nèi)部欠壓鎖定保護(hù)功能。當(dāng)VDD偏置電壓低于啟動(dòng)時(shí)的VVDD_ON或啟動(dòng)后的VVDD_OFF時(shí)，受影響的輸出將被拉低。VCCI也有類似的UVLO功能，且都具有滯回特性，可防止電源噪聲引起的抖動(dòng)。

輸入輸出邏輯

輸入引腳基于TTL和CMOS兼容輸入閾值邏輯，與VDD電源電壓完全隔離。輸入閾值隨溫度變化小，具有較寬的滯回范圍，抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)輸入引腳懸空時(shí)，內(nèi)部下拉電阻會(huì)將其拉低。輸出階段采用獨(dú)特的上拉和下拉結(jié)構(gòu)，上拉結(jié)構(gòu)在功率開關(guān)導(dǎo)通的米勒平臺(tái)區(qū)域能提供高的峰值源電流，下拉結(jié)構(gòu)由N溝道MOSFET組成，兩個(gè)輸出都能提供4A峰值源電流和6A峰值灌電流。

可編程死區(qū)時(shí)間

用戶可以通過不同方式調(diào)整死區(qū)時(shí)間。將DT引腳連接到VCC可禁用死區(qū)時(shí)間功能，死區(qū)時(shí)間約為0ns；將DT引腳懸空，死區(qū)時(shí)間小于15ns；在DT引腳和GND之間連接一個(gè)電阻RDT，可對(duì)死區(qū)時(shí)間進(jìn)行編程。

禁用引腳

當(dāng)DISABLE引腳置高時(shí)，兩個(gè)輸出同時(shí)關(guān)閉；接地或懸空時(shí)，器件正常工作。DISABLE響應(yīng)時(shí)間短，約為20ns。

4. 應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

典型應(yīng)用

UCC20520可用于驅(qū)動(dòng)半橋配置，適用于多種電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，如同步降壓、同步升壓、半?全橋隔離拓?fù)浜腿嚯姍C(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• PWM輸入濾波器：可使用小的輸入R_IN - C_IN濾波器過濾由非理想布局或長(zhǎng)PCB走線引入的振鈴，但要注意噪聲抑制和傳播延遲之間的權(quán)衡。
• 外部自舉二極管和串聯(lián)電阻：選擇高壓、快速恢復(fù)二極管或SiC肖特基二極管，以減少反向恢復(fù)損耗和接地噪聲反彈。自舉電阻R_BOOT用于限制涌入電流和電壓上升斜率。
• 柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電阻：外部柵極驅(qū)動(dòng)器電阻R_ON / R_OFF可限制振鈴、微調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度、減少電磁干擾。
• 柵極驅(qū)動(dòng)器功率損耗估算：總損耗包括UCC20520本身的損耗和外圍電路的損耗，可通過靜態(tài)功率損耗和開關(guān)操作損耗兩部分進(jìn)行估算。
• 結(jié)溫估算：可根據(jù)結(jié)到外殼的熱阻和外殼溫度估算結(jié)溫。
• 電容選擇：VCCI、VDDA和VDDB的旁路電容應(yīng)選擇低ESR和低ESL的多層陶瓷電容（MLCC），并根據(jù)不同引腳的需求選擇合適的電容值。
• 死區(qū)時(shí)間設(shè)置：對(duì)于半橋拓?fù)?，死區(qū)時(shí)間設(shè)置很重要，可根據(jù)系統(tǒng)要求和實(shí)際測(cè)試進(jìn)行調(diào)整。
• 輸出階段負(fù)偏置應(yīng)用：在存在寄生電感時(shí)，可通過不同方式施加負(fù)偏置來防止功率晶體管意外導(dǎo)通。

四、布局與支持

1. 布局指導(dǎo)

• 組件放置：將低ESR和低ESL電容靠近VCCI - GND和VDD - VSS引腳，最小化開關(guān)節(jié)點(diǎn)的寄生電感，將死區(qū)時(shí)間設(shè)置電阻和旁路電容靠近DT引腳。
• 接地考慮：將晶體管柵極充放電的高電流路徑限制在最小區(qū)域，減少環(huán)路電感和噪聲。
• 高壓考慮：避免在驅(qū)動(dòng)器下方放置PCB走線或銅箔，增加高 - 低側(cè)PCB走線的爬電距離。
• 熱考慮：增加與VDDA、VDDB、VSSA和VSSB引腳連接的PCB銅面積，通過過孔連接到內(nèi)部接地或電源平面，但要注意避免不同高壓平面的走線重疊。

2. 設(shè)備與文檔支持

提供相關(guān)文檔、接收文檔更新通知的方式，以及TI E2E?支持論壇等技術(shù)支持資源。同時(shí)列舉了UL、VDE、CQC等認(rèn)證信息，并提醒注意靜電放電對(duì)器件的影響。

UCC20520憑借其出色的性能、豐富的功能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，為電子工程師在電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)強(qiáng)大而可靠的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，只要我們充分理解其技術(shù)細(xì)節(jié)，合理進(jìn)行布局和設(shè)計(jì)，就能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，打造出高性能、高可靠性的電子設(shè)備。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。