作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

產(chǎn)品設(shè)計師必須有能力在多種限制因素之間進行平衡——封裝大小、成本、可靠性和上市時間。關(guān)鍵挑戰(zhàn)是選擇一個適合現(xiàn)代應(yīng)用所需的狹小空間的電源。

緊湊的高性能功率級依賴快速、可靠的柵極驅(qū)動解決方案。這類解決方案既有簡單的低壓側(cè)驅(qū)動器，也有適合高壓環(huán)境的全隔離版本。對于許多設(shè)計來說，浮地非隔離柵極驅(qū)動器提供了一條有效的成功途徑。

柵極驅(qū)動器用作中間器件，將通常來自微控制器或脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器的低功率控制信號傳遞至調(diào)節(jié)能量流的高功率開關(guān)。這類器件可確保潔凈、快速和精確的切換，從而實現(xiàn)功率輸出的優(yōu)化。

要選擇合適的柵極驅(qū)動器，就需要評估電壓和電流要求、拓撲結(jié)構(gòu)和開關(guān)頻率。匹配良好的驅(qū)動器可提供高效率、定時精確度度和熱穩(wěn)定性，這些對于高性能、緊湊型系統(tǒng)都至關(guān)重要。

半橋拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

半橋拓撲是現(xiàn)代電源轉(zhuǎn)換中廣泛使用的一種方法，可在緊湊型設(shè)計中實現(xiàn)高效穩(wěn)壓。這種拓撲依靠兩個高速開關(guān)器件，通常是 MOSFET 或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 來交替輸入電壓，在隔離設(shè)計中為變壓器供電，或在非隔離系統(tǒng)中直接為負載供電。這種拓撲結(jié)構(gòu)因其效率和熱優(yōu)化潛力而受到重視。

柵極驅(qū)動器 IC 在控制這些開關(guān)時不可或缺，是控制器和功率級之間的接口。該 IC 將 PWM 信號轉(zhuǎn)換為大電流驅(qū)動信號，確保快速精確地切換高壓側(cè)和低壓側(cè)晶體管。這種快速高效的運行方式最大限度地減少了能量損耗，提高了系統(tǒng)的整體性能。

在半橋電路中，高壓側(cè) MOSFET 的源極連接開關(guān)節(jié)點，開關(guān)節(jié)點根據(jù)開關(guān)周期在接地 (0 V) 和輸入電壓（如 12 V、48 V 等）之間快速移動。采用浮地非隔離柵極驅(qū)動器時，高壓側(cè)驅(qū)動器會隨開關(guān)節(jié)點的電壓"浮動“，從而實現(xiàn)潔凈、高效的轉(zhuǎn)換。

當不需要隔離，而又把結(jié)構(gòu)緊湊、速度和效率作為優(yōu)先考慮因素時，浮地非隔離半橋柵極驅(qū)動器就成了理想的解決方案。這些驅(qū)動器設(shè)計用于控制高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET 開關(guān)，既避免了隔離的復(fù)雜性，又確保了精確的開關(guān)性能。由于這種驅(qū)動器在控制邏輯和功率級之間不提供電隔離，因此在所有組件共地的系統(tǒng)中效果最佳。

為高壓側(cè) MOSFET 生成所需的柵極驅(qū)動電壓通常需要一個自舉電容器。當?shù)蛪簜?cè)開關(guān)導(dǎo)通時，該電容充電；當高壓側(cè)開關(guān)開啟時，該電容供電。

當?shù)蛪簜?cè) MOSFET 導(dǎo)通時，開關(guān)節(jié)點被拉至地，從而允許一個小型二極管電容電路從電源軌為自舉電容充電。當需要開啟高壓側(cè) MOSFET 時，驅(qū)動器會利用存儲的電荷將柵極驅(qū)動至高于開關(guān)節(jié)點的電壓，通常高出 10 V 至 15 V。

設(shè)計人員必須確保低壓側(cè)開關(guān)的開啟頻率足以為自舉電容器充電。在高占空比應(yīng)用中，可能需要采取額外的預(yù)防措施，例如選擇合適的電容值、盡量減少自舉二極管上的壓降。

通過利用自舉架構(gòu)和跟蹤開關(guān)節(jié)點電壓，浮地非隔離半橋驅(qū)動器既避免了實現(xiàn)隔離的復(fù)雜性，又確保了穩(wěn)健的高壓側(cè)控制。這種驅(qū)動器簡單高效，非常適合降壓和升壓轉(zhuǎn)換器、同步穩(wěn)壓器、電機驅(qū)動器和 D 類音頻放大器等高頻開關(guān)應(yīng)用。

選擇合適的柵極驅(qū)動器 IC

選擇合適的柵極驅(qū)動器，對于確保功率級的高效、可靠和安全運行至關(guān)重要，尤其是在降壓轉(zhuǎn)換器、電機驅(qū)動器和太陽能發(fā)電系統(tǒng)等高速開關(guān)應(yīng)用中。雖然柵極驅(qū)動的基本原理應(yīng)用非常廣泛，但根據(jù)系統(tǒng)要求，某些選擇標準會變得特別重要。

例如，在太陽能轉(zhuǎn)換和電池供電系統(tǒng)中，柵極驅(qū)動器必須適應(yīng)較大的輸入電壓變化和不斷變化的負載條件。需要有足夠余量的高壓側(cè)額定電壓，以承受全電源軌波動并確保長期可靠。

共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 是另一個主要考慮因素。快速開關(guān)事件會在高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET 之間產(chǎn)生陡峭的電壓差，從而導(dǎo)致噪聲和振鈴。具有高 CMTI 的柵極驅(qū)動器在電噪聲環(huán)境中表現(xiàn)更穩(wěn)定。

峰值驅(qū)動電流同樣重要，尤其是在大功率應(yīng)用中。驅(qū)動器必須提供足夠的電流，以便快速為 MOSFET 柵極充電并克服寄生電容，從而降低開關(guān)損耗，改善熱性能。

最終，死區(qū)時間控制在半橋拓撲中起著關(guān)鍵作用。如果在關(guān)斷一個開關(guān)和開啟另一個開關(guān)之間沒有短暫的延遲，就會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，即兩個 MOSFET 同時導(dǎo)通。許多柵極驅(qū)動器具有內(nèi)置或可調(diào)的死區(qū)時間設(shè)置，以防止出現(xiàn)這一問題，并在不同負載條件下實現(xiàn)安全高效運行。

ADI 的 LTC706x 系列

浮地非隔離半橋驅(qū)動器簡單易用，具有高速開關(guān)功能，是許多設(shè)計的最佳解決方案。[Analog Devices, Inc. (ADI)] 提供一系列功能豐富的高壓器件，專為要求苛刻的應(yīng)用而設(shè)計。

ADI 的 LTC706x 浮地非隔離半橋柵極驅(qū)動器（圖 1）為滿足高速、高電壓電源轉(zhuǎn)換的需求提供了多功能解決方案。該系列器件采用緊湊型封裝，具有嚴格的定時控制、擊穿保護和強大的驅(qū)動力，可滿足從汽車到工業(yè)控制等各種應(yīng)用的需求。

圖 1：ADI 的 LTC706x 浮地非隔離半橋驅(qū)動器的外形尺寸。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

ADI 產(chǎn)品提供了一系列與電壓、邏輯和布局要求相匹配的選擇，有助于設(shè)計人員在系統(tǒng)級性能和簡易性之間進行適當權(quán)衡。所有器件均支持 N 溝道 MOSFET，與 P 溝道 MOSFET 相比，具有更低的導(dǎo)通電阻 (RDS ON )、更快的開關(guān)速度和更高的電流處理能力。

兩個器件支持 100 V 最高電源電壓：

• [LTC7060] 針對依賴具有三態(tài)功能的單路 PWM 輸入的系統(tǒng)進行了優(yōu)化，使其能夠僅從一條控制線就能獲得高壓側(cè)和低壓側(cè)柵極驅(qū)動時序。這簡化了數(shù)字控制器接口，減少了引腳數(shù)，適合用于空間有限的應(yīng)用。三態(tài)輸入模式還能實現(xiàn)安全的高阻抗狀態(tài)，從而在某些故障情況下增加一層容錯功能。對于喜歡簡潔緊湊的設(shè)計師來說，這是一個不錯的選擇。
• [LTC7061] 專門用于為高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)提供獨立 CMOS 或 TTL 邏輯電平輸入的應(yīng)用。使用這種雙輸入方法，可靈活地控制定時——這在死區(qū)時間由微控制器或 PWM 控制器進行外部管理的系統(tǒng)中尤為重要。對于需要嚴格控制開關(guān)特性或?qū)嵤┒ㄖ苹〞r策略的設(shè)計需求，LTC7061 就是一個適應(yīng)性更強且控制靈活的接口，支持精準的性能調(diào)節(jié)。

對于輸入電壓超過 100 V 的應(yīng)用，例如工業(yè)電機驅(qū)動器、48 V 汽車電源軌或以太網(wǎng)供電基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計人員可以選用支持 140 V 最大電源電壓的兩個器件：

• [LTC7063] 具有一個三態(tài) PWM 輸入，允許通過單個輸入信號同時控制高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET。這種配置簡化了控制接口，因為 PWM 引腳會根據(jù)其電壓電平?jīng)Q定 MOSFET 的狀態(tài)。對于大功率應(yīng)用，設(shè)計人員可能更傾向于采用這種設(shè)計，因為簡化的控制接口、更少的引腳以及在高密度印刷電路板上復(fù)雜程度最小的信號布線，都將非常有益于這些應(yīng)用。LTC7063 的一個實際應(yīng)用是帶有遠程負載的 2:1 降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計（圖 2）。憑借最高可達 80 V 的輸入電源電壓，這種配置可將一半的輸入電壓（?V IN ）輸出至最大 5 A 的負載。

圖 2：一個使用 LTC7063 浮地非隔離半橋柵極驅(qū)動器的、帶遠程負載降壓型轉(zhuǎn)換器設(shè)計。(圖片來源：Analog Devices, Inc.）

• [LTC7066] 可為高壓側(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動器接受獨立的 CMOS/TTL 邏輯電平輸入，為每個 MOSFET 提供單獨的控制信號。這樣就能實現(xiàn)精確而靈活的控制，讓設(shè)計人員充分利用定時、死區(qū)時間和開關(guān)特性。因此，該器件非常適合采用微調(diào)數(shù)字控制功能的系統(tǒng)，如使用高性能數(shù)字控制器或 FPGA 的系統(tǒng)。

無論是在低壓還是高壓環(huán)境中工作，產(chǎn)品系列中的每個器件都包含必要的保護和調(diào)節(jié)參數(shù)，這有助于設(shè)計人員最大限度地發(fā)揮功率級的性能。

每個產(chǎn)品都具有自適應(yīng)擊穿保護功能，可防止高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET 同時導(dǎo)通。此外，每個器件都支持死區(qū)時間可調(diào)，使設(shè)計人員能夠微調(diào)開關(guān)轉(zhuǎn)換之間的延遲，從而在不影響效率的情況下最大限度地減少損耗并避免交叉導(dǎo)通。欠壓鎖定 (UVLO) 是另一項常見功能，用于確保柵極驅(qū)動器僅在電源電壓處于安全閾值范圍內(nèi)時工作。

從性能角度來看，LTC706x 系列器件都具有很強的柵極驅(qū)動阻抗，典型值為 1.5 Ω 上拉和 0.8 Ω 下拉。這一特性能夠?qū)崿F(xiàn)快速柵極充電和放電——對于高速應(yīng)用中的快速開關(guān)、嚴格時序控制和降低開關(guān)損耗來說至關(guān)重要。

對于傳統(tǒng)自舉方法無法滿足的高占空比應(yīng)用，設(shè)計人員可以評估其他柵極驅(qū)動技術(shù)。必須考慮每種方法在復(fù)雜性、效率和成本方面的權(quán)衡。例如，隔離柵極驅(qū)動器利用變壓器或數(shù)字隔離器提供獨立的柵極驅(qū)動電壓，從而無需自舉充電機制，而直接偏置電源則可提供不受開關(guān)周期影響的穩(wěn)定柵極驅(qū)動電壓。

結(jié)語

在對速度、效率和緊湊型設(shè)計要求極高的大功率應(yīng)用中，浮地非隔離半橋柵極驅(qū)動器為控制高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET 提供了最佳解決方案。通過利用自舉電路產(chǎn)生必要的柵極驅(qū)動電壓，這些驅(qū)動器避免了復(fù)雜的隔離設(shè)計，同時保持了精確的開關(guān)性能。ADI 的 LTC706x 系列產(chǎn)品提供了一系列多功能解決方案，可滿足高速、高壓電源轉(zhuǎn)換的需求。