采用低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)IC簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)提高可靠性

1、采用低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)IC簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)，提高可靠性    摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線(xiàn)接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte采用低側(cè)驅(qū)動(dòng)器的兩種普通類(lèi)型的開(kāi)關(guān)是箝位電感開(kāi)關(guān)，具有采用硬開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2、的初級(jí)開(kāi)關(guān)和同步整流的特征。調(diào)整每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的標(biāo)準(zhǔn)是非常不同的，將在這里討論。箝位電感開(kāi)關(guān)理想化的導(dǎo)通波形如圖1所示，在漏極電流升高和漏極到源極電壓下降之間具有非重疊特征。這可產(chǎn)生最差的開(kāi)關(guān)損耗，這通?？杀磉_(dá)為整個(gè)轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)周期Ts的平均功耗，即使實(shí)際功耗只在這個(gè)圖中的t2和t3期間發(fā)生。                  （1(t2+t3)的長(zhǎng)度取決于平均柵極驅(qū)動(dòng)電流IG，必須將電荷量提供給MOSFET柵極，以穿越這些時(shí)間間隔

3、（traverse interval），這可以在MOSFET規(guī)格或整個(gè)柵極電荷曲線(xiàn)發(fā)。                               （2圖1是關(guān)斷波形的鏡像，該關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗可以用一種類(lèi)似方式計(jì)算，并加到（1）上得出這個(gè)電源開(kāi)關(guān)的總開(kāi)關(guān)損耗。根據(jù)這些公式，很明顯有損耗時(shí)間間隔（loss

4、y interval）期間的開(kāi)關(guān)損耗與柵極驅(qū)動(dòng)電流成反比，而對(duì)箝位電感開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，這是調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)器的主要標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，當(dāng)其輸出電壓接近工作范圍的中間時(shí)，當(dāng)其輸出電壓鄰近工作范圍的中間時(shí)，最重要的驅(qū)動(dòng)器特征是其輸出電流。驅(qū)動(dòng)IC可以從幾家供應(yīng)商得到，包括2A、4A和9A的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，但是遺憾的是，測(cè)量這個(gè)電流的測(cè)試條件不是標(biāo)準(zhǔn)的。對(duì)于一些供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，它近似驅(qū)動(dòng)某種規(guī)定負(fù)載的峰值電流，而對(duì)其他供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)箝位輸出電壓的穩(wěn)態(tài)電流，這樣具有相同電流的“額定值”兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器可能有非常不同電流能力。如果我們使用在輸出電壓范圍中間的穩(wěn)態(tài)電流額定值，表1就是一個(gè)方便的指南，它顯示了驅(qū)動(dòng)路徑中沒(méi)有外置電阻的

5、每個(gè)尺寸驅(qū)動(dòng)器進(jìn)出一定量柵電荷的速度。本表是從（2）計(jì)算出來(lái)的，但是，隨著延長(zhǎng)了1.5倍經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的時(shí)間，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量的行為不太理想。不過(guò)，這些時(shí)間仍然是樂(lè)觀的，因?yàn)榧词箾](méi)有使用串聯(lián)的柵極電阻，電源開(kāi)關(guān)的內(nèi)置柵極電阻仍可以減慢開(kāi)關(guān)速度。當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電路與同步整流器（SR）一起使用時(shí)，尺寸選擇標(biāo)準(zhǔn)是完全不同的，因?yàn)樵贛OSFET通道傳導(dǎo)前后，由于體二極管的導(dǎo)通特性開(kāi)關(guān)損耗是可以忽略不計(jì)的。在這種情況下，驅(qū)動(dòng)電流需要由時(shí)序及dV/dt的預(yù)防dv/dt導(dǎo)通來(lái)決定。為了防止擊穿和導(dǎo)致的不必要的功率損耗，在一個(gè)電壓加在它兩端之前，SR必須完全關(guān)斷，通常是開(kāi)啟1個(gè)以上的初級(jí)開(kāi)關(guān)電路。為了使設(shè)置保證滿(mǎn)足這個(gè)

6、條件，同時(shí)盡可能長(zhǎng)時(shí)間使SR的效率增至最大，必須知道關(guān)斷SR需要多長(zhǎng)時(shí)間。參見(jiàn)圖2的MOSFET模型，關(guān)斷時(shí)間可以利用下式計(jì)算：                        （3式中的CGS=CISS-CRSS是MOSFET的線(xiàn)性柵極至源極電容，CGD,SR是非線(xiàn)性柵極至漏極或“密勒（Miller）”電容CGD=CRSS的低電壓值。這個(gè)電容的一種有用的方法是在SR關(guān)

7、斷期間正好在電壓擺幅的中間，即VDD/2。這個(gè)值可以從相對(duì)于電壓的CRSS曲線(xiàn)讀取，或者可以利用數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的CRSS,SPEC值計(jì)算出來(lái)，對(duì)于一些較高電壓CDS,SPEC可通過(guò)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：                        （4一旦SR完全斷開(kāi)，功率轉(zhuǎn)換器的主開(kāi)關(guān)就可以接通，這將使SR的漏極電壓迅速升高。圖2顯示了這種情況，其中的電容分壓器是因內(nèi)

8、部漏極電壓升高由CGD和CGS形成的MOSFET暫時(shí)回到導(dǎo)通除非該驅(qū)動(dòng)器灌入足夠的電流使內(nèi)部柵極節(jié)點(diǎn)降至MOSFET閾值電壓以下。這通常是調(diào)整一個(gè)SR驅(qū)動(dòng)器的主要標(biāo)準(zhǔn)。接近漏極電壓上升的開(kāi)始，其中的CGD最大，需要的灌入電流大約是                          （5如果不能使用一個(gè)較大的驅(qū)動(dòng)器，而其定位已經(jīng)非常接近SR，消除dV

9、/dt導(dǎo)通的最后手段是通過(guò)減慢主開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通來(lái)降低dV/dt，但遺憾的是，這將增加主開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗。選擇功能除了電流額定值之外，一個(gè)設(shè)計(jì)者在選擇驅(qū)動(dòng)IC時(shí)還要面對(duì)功能選擇，即輸入邏輯和配置、輸入閾值和封裝。談及一個(gè)驅(qū)動(dòng)器通道，可用的輸入包括反向、非反相、雙輸入和使能。反向和非反相之間的選擇通常是在每個(gè)MOSFET的柵極施加正確極性的控制信號(hào)，由一個(gè)控制輸出驅(qū)動(dòng)的不同的開(kāi)關(guān)有時(shí)是不同的。如果需要兩個(gè)極性，少數(shù)不同的元件需要與一個(gè)雙輸入驅(qū)動(dòng)器一起使用，由于一個(gè)是反向、一個(gè)是非反相輸入，它可以配置為兩個(gè)極性。如果在MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)始終需要更多的控制，例如設(shè)置較高的UVLO閾值或在啟動(dòng)期間禁用SR，使

10、能輸入可能是有用的。帶有TTL或CMOS輸入閾值的驅(qū)動(dòng)器可供使用。TTL“低”輸入設(shè)定在0.8V以下，而“高”設(shè)定在獨(dú)立于電源電壓的2.0V以上，因此TTL閾值為近似恒定，總是在這些限制之間。相比之下，CMOS閾值大約為電源電壓的40%和60%。TTL是比較常見(jiàn)的，尤其是在來(lái)自一個(gè)低電壓PWM控制器的輸入信號(hào)有一個(gè)相對(duì)較低的振幅時(shí)很有用。不過(guò)，在噪聲環(huán)境中，人們更喜歡CMOS較大的噪聲容限，而利用CMOS RC時(shí)延可以設(shè)置得更加準(zhǔn)確，因?yàn)槠溟撝蹈咏舜私咏娫措妷旱囊话?。?dāng)需要精確的時(shí)序時(shí)，輸入閾值的溫度穩(wěn)定性和傳播延遲也是非常重要的。大多數(shù)電源設(shè)計(jì)人員都熟悉封裝折衷，通常是在低成本的標(biāo)準(zhǔn)引

11、線(xiàn)封裝與MLP更小的尺寸和更好的散熱性能之間進(jìn)行選擇，后者通常會(huì)有有助于散熱的暴露的導(dǎo)熱焊點(diǎn)。補(bǔ)充元件在利用驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)時(shí)有兩個(gè)關(guān)鍵的補(bǔ)充元件要考慮：旁路電容器和串聯(lián)柵極電阻。因?yàn)橐粋€(gè)驅(qū)動(dòng)器要輸出短脈沖電流，一個(gè)非常低阻抗的電源需要輸出最大電流，通常要部署2個(gè)旁路電容器放在緊挨著驅(qū)動(dòng)器的地方，它應(yīng)該正好緊挨著電源開(kāi)關(guān)，以最大限度地減少這個(gè)電流環(huán)路的雜散電感。較大的電容器通常是電解電容器或者是另一種更低ESR型電容器，具有有效負(fù)載電容2至10倍的值，這可以利用總柵極電荷來(lái)計(jì)算          &

12、#160;                       （6第二，陶瓷旁路電容器通常是這個(gè)值的十分之一。當(dāng)敏感的控制電路利用相同的電源供電時(shí)，在電源線(xiàn)上增加幾個(gè)歐姆的串聯(lián)電阻是一種好的做法，可以將驅(qū)動(dòng)器部分與控制部分隔離開(kāi)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)同步整流器時(shí)，驅(qū)動(dòng)器和電源開(kāi)關(guān)之間的串聯(lián)柵極電阻通?？梢允÷?，但是除此之外還有三個(gè)理由需要共同使用一個(gè)2至20的電阻：第一是抑制電源開(kāi)關(guān)柵極電容和柵極

13、驅(qū)動(dòng)環(huán)路雜散電感之間的振鈴，如圖3所示，因?yàn)檫^(guò)度振鈴可增加EMI，而且可以增加開(kāi)關(guān)迅速接通和關(guān)斷的損耗。第二個(gè)理由是減慢開(kāi)關(guān)速度，也就降低了EMI，但是這將導(dǎo)致較高的開(kāi)關(guān)損耗。使用串聯(lián)柵極驅(qū)動(dòng)電阻器的第三個(gè)可能的理由是，可以把來(lái)自驅(qū)動(dòng)器的一些柵極驅(qū)動(dòng)損耗轉(zhuǎn)移到這個(gè)外置電阻器上，使總柵極驅(qū)動(dòng)損耗保持恒定。如前所述，采用很好控制輸入閾值的驅(qū)動(dòng)IC，可以使用一個(gè)串聯(lián)電阻器在控制路徑中插入固定時(shí)延，這要根據(jù)該驅(qū)動(dòng)器輸入端的小型電容器對(duì)地來(lái)選擇。隨著如圖4所示的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器和若干其他元件的增加，低側(cè)驅(qū)動(dòng)器也可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)（浮地）開(kāi)關(guān)，作為替代高壓驅(qū)動(dòng)IC的一種方法。這樣做的一些常見(jiàn)理由是要越過(guò)一個(gè)

14、隔離邊界，以縮短傳播延遲和產(chǎn)生更為可靠驅(qū)動(dòng)電路。熱設(shè)計(jì)熱設(shè)計(jì)總是應(yīng)該加倍注意，因?yàn)轵?qū)動(dòng)IC功耗可能很大。這是一個(gè)兩步過(guò)程：首先計(jì)算驅(qū)動(dòng)器預(yù)期的耗散，然后評(píng)估結(jié)點(diǎn)溫度以確保其在設(shè)計(jì)限制之內(nèi)。這里討論的簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)電路（控制驅(qū)動(dòng)和非共振），與功率MOSFET或IGBT接通和關(guān)斷周期開(kāi)關(guān)有關(guān)的總柵極驅(qū)動(dòng)損耗可以從開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)的總柵極電荷曲線(xiàn)獲得，通過(guò)讀取符合選擇的柵極驅(qū)動(dòng)電壓VDD的總柵極電荷Qg，然后計(jì)算                &

15、#160;           （7這個(gè)功耗與串聯(lián)柵極驅(qū)動(dòng)電阻器值無(wú)關(guān)，它確實(shí)可以影響驅(qū)動(dòng)電路的相對(duì)于其他串聯(lián)電阻的驅(qū)動(dòng)IC耗散功率的多少。事實(shí)上，該集成電路中的功耗部分只不過(guò)是驅(qū)動(dòng)環(huán)路周?chē)须娮杩偤偷挠行л敵鲎杩怪龋鼘?duì)導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)說(shuō)是不同的。為了實(shí)現(xiàn)這種考慮，有效的驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗最簡(jiǎn)單的評(píng)估方法是電源電壓的一半除以穩(wěn)態(tài)源或一半電源電壓的輸出箝位灌入電流。其他應(yīng)該包含的環(huán)路阻抗是開(kāi)關(guān)的外置和內(nèi)置串聯(lián)柵極電阻，以及大型旁路電容器的ESR。由于不十分精確地知道這些電阻，總柵極驅(qū)動(dòng)功率（7）可用

16、作驅(qū)動(dòng)IC功耗的上限，或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以在計(jì)算中使用那個(gè)值的一部分。一旦確定了驅(qū)動(dòng)IC中的功耗，無(wú)論數(shù)據(jù)手冊(cè)中有什么樣的熱參數(shù)可供使用，都應(yīng)該用于評(píng)估最高結(jié)點(diǎn)溫度。結(jié)點(diǎn)環(huán)境熱阻qJA是最常見(jiàn)的可用參數(shù)，但是遺憾的是，它只對(duì)規(guī)定的熱設(shè)計(jì)包括PCB構(gòu)建、散熱器和氣流是準(zhǔn)確的。在沒(méi)有頂部邊散熱器的低氣流條件下，PCB要耗散大多數(shù)功率。在這種情況下，如果給定了結(jié)到引腳或結(jié)到板熱阻，且如果設(shè)計(jì)限制了PCB最高工作溫度，工作結(jié)點(diǎn)溫度的上限就可以通過(guò)假設(shè)引腳溫度等于最高板溫度來(lái)計(jì)算：