深入解析 onsemi NCV51561 隔離式雙通道柵極驅動器

在電子工程師的日常設計中，柵極驅動器是驅動功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 等功率開關的關鍵組件。今天，我們就來深入探討 onsemi 推出的 NCV51561 隔離式雙通道柵極驅動器，看看它有哪些特性和優勢，以及在實際應用中需要注意的要點。

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產品概述

NCV51561 是一款隔離式雙通道柵極驅動器，具有 4.5 - A/9 - A 的源極和漏極峰值電流。它專為快速開關而設計，可用于驅動功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 功率開關，提供短且匹配的傳播延遲。該驅動器具備 5 kVrms 的內部電流隔離，輸入與每個輸出之間以及兩個輸出驅動器之間的內部功能隔離，允許高達 1500 VDC 的工作電壓。此外，它還支持多種配置，如兩個低端開關、兩個高端開關或半橋驅動器，并具有可編程死區時間功能。

典型應用電路

產品特性亮點

強大的輸出電流能力

NCV51561 擁有 4.5 A 的峰值源電流和 9 A 的峰值漏電流輸出能力，能夠為功率開關提供足夠的驅動電流，確保其快速、穩定地開關。

靈活的配置選項

支持雙低端、雙高端或半橋柵極驅動配置，滿足不同應用場景的需求。無論是簡單的單開關應用還是復雜的半橋拓撲，都能輕松應對。

獨立的 UVLO 保護

兩個輸出驅動器均具備獨立的欠壓鎖定（UVLO）保護功能，當電源電壓低于設定的閾值時，能夠及時關閉驅動器輸出，保護功率開關免受損壞。

寬輸出電源電壓范圍

輸出電源電壓范圍為 6.5 V 至 30 V，并且針對不同類型的 MOSFET 提供了不同的 UVLO 閾值，如 5 - V 和 8 - V 適用于 MOSFET，13 - V 和 17 - V 適用于 SiC MOSFET，增強了產品的通用性。

高共模瞬態抗擾度

共模瞬態抗擾度（CMTI）> 200 V/ns，能夠有效抵抗共模干擾，確保在惡劣的電磁環境下穩定工作。

低傳播延遲和失真

典型傳播延遲為 36 ns，每通道最大延遲匹配為 5 ns，最大脈沖寬度失真為 5 ns，保證了信號的快速傳輸和準確控制。

用戶可編程功能

支持用戶可編程輸入邏輯，可通過 ANB 引腳選擇單輸入或雙輸入模式，以及啟用或禁用模式；還具備用戶可編程死區時間功能，可根據實際需求調整死區時間，避免上下管同時導通。

高隔離和安全性能

滿足 5 kVRMS 隔離 1 分鐘（符合 UL1577 要求）和 1500 V 峰值差分電壓的要求，8000 VPK 加強隔離電壓（符合 VDE0884 - 11 要求），并獲得了 CQC 認證（符合 GB4943.1 - 2011）和 SGS FIMO 認證（符合 IEC 62386 - 1），確保了產品的安全性和可靠性。

引腳功能詳解

電氣特性分析

電源部分

• 輸入側電源（VDD）：靜態電流在不同輸入條件下有所變化，工作電流在 500 KHz、50% 占空比、COUT = 100 pF 時為 5.0 - 9.0 mA。同時，VDD 具有欠壓鎖定功能，正閾值約為 2.8 V，負閾值約為 2.7 V，滯回約為 0.1 V。
• 輸出側電源（VCCA 和 VCCB）：不同 UVLO 版本的 VCCA 和 VCCB 具有不同的欠壓鎖定閾值和滯回，靜態電流和工作電流也會根據輸入信號和負載情況有所變化。

邏輯輸入部分

• INA、INB 和 ANB：高電平輸入電壓典型值為 1.6 V，低電平輸入電壓典型值為 1.1 V，輸入邏輯滯回約為 0.5 V。
• ENA/DIS：根據不同版本，啟用或禁用的高、低電平電壓典型值分別為 1.6 V 和 1.1 V，邏輯滯回約為 0.5 V。

死區時間和重疊部分

• 最小死區時間在 DT 引腳浮空時典型值為 10 ns，死區時間可通過外部電阻 RDT 進行調整，計算公式為 tDT（ns） = 10 x RDT（kΩ）。
• 當 DT 引腳連接到 VDD 時，允許 OUTA 和 OUTB 重疊，重疊閾值電壓約為 0.9 x VDD。

柵極驅動部分

• OUTA 和 OUTB 的源極峰值電流典型值為 4.5 A，漏極峰值電流典型值為 9.0 A。
• 高電平輸出電阻典型值為 1.4 Ω，低電平輸出電阻典型值為 0.5 Ω。
• 高電平輸出電壓與 Vcc 的差值典型值為 270 mV，低電平輸出電壓與 Vss 的差值典型值為 100 mV。

動態電氣特性

• 導通和關斷傳播延遲在不同電源電壓和負載條件下有所變化，典型值約為 36 ns。
• 脈沖寬度失真最大為 5 ns，通道間傳播延遲失配最大為 5 ns。
• 開啟和關斷上升、下降時間在不同電源電壓和負載條件下也有所不同。

保護功能

欠壓鎖定保護（UVLO）

NCV51561 為輸入側的 VDD 和輸出側的 VCCA、VCCB 提供了欠壓鎖定保護功能。當電源電壓低于設定的閾值時，驅動器輸出將被關閉，防止功率開關在低電壓下工作，提高了系統的可靠性。不同 UVLO 版本的閾值不同，如 5 - V 版本的 VCCA 和 VCCB 欠壓鎖定正閾值約為 6.0 V，負閾值約為 5.7 V，滯回約為 0.3 V。

交叉導通保護

通過可編程死區時間功能，NCV51561 可以有效防止上下管同時導通，避免短路故障。當 DT 引腳浮空時，最小死區時間可確保在任何情況下都不會出現交叉導通；當 DT 引腳連接到 VDD 時，允許一定的重疊，但需要根據實際應用進行合理設置。

應用信息

電源供應建議

在開關導通時，柵極的輸出電流來自 VCCA 和 VCCB 電源引腳。因此，建議在 VCCA 和 VCCB 引腳處使用至少為柵極電容 10 倍、不小于 100 nF 的電容進行旁路，并盡可能靠近器件放置，以實現去耦。推薦使用一個 100 nF 的陶瓷表面貼裝電容和一個幾微法的表面貼裝電容并聯。

輸入級設計

NCV51561 的輸入信號引腳（INA、INB、ANB 和 ENA/DIS）基于 TTL 兼容輸入閾值邏輯，與 VDD 電源電壓無關。輸入信號引腳的阻抗典型值為 200 kΩ，建議在不使用 ENA/DIS 引腳時將其連接到 VDD 或 GND 以提高抗噪能力。同時，可在輸入信號引腳上添加 RC 濾波器，以減少系統噪聲和地彈的影響，但需要注意在良好的抗噪能力和傳播延遲之間進行權衡。

輸出級設計

輸出驅動器級采用上拉和下拉結構，上拉結構由 PMOS 級組成，確保能夠拉到 VCC 軌；下拉結構由 NMOS 器件組成。在 25°C 時，上拉和下拉開關的輸出阻抗能夠提供約 +4.5 A 和 -9 A 的峰值電流，在 125°C 時，最小漏極和源極峰值電流分別為 -7 A 和 +2.6 A。

驅動電流能力考慮

在選擇驅動器時，需要確保峰值源電流和漏電流能力大于平均電流。可根據所需的柵極電荷和開關時間來計算所需的驅動器電流額定值，公式為 $I{G,AV}=\frac{Q{G}}{t{SW,ON/OFF}}$，其中 $Q{G}$ 為柵極電荷，$t{SW,ON/OFF}$ 為開關導通/關斷時間。在導通時，源極峰值電流應滿足 $I{SOURCE} \geq 1.5 × \frac{Q{G}}{t{SW,ON}}$；在關斷時，漏極峰值電流應滿足 $I{SINK} \geq 1.5 × \frac{Q{G}}{t_{SW,OFF}}$。

柵極電阻考慮

柵極電阻的大小需要根據實際情況進行選擇，它可以減少寄生電感和電容引起的振鈴電壓，但會限制柵極驅動器輸出的電流能力。可通過公式 $I{SINK}=\frac{V{CC}-V{OL}}{R{G,OFF}}$ 和 $I{SOURCE}=\frac{V{CC}-V{OH}}{R{G,ON}}$ 計算由導通和關斷柵極電阻引起的受限電流能力值，其中 $V{OH}$ 為高電平輸出電壓降，$V{OL}$ 為低電平輸出電壓降。

SiC MOSFET 應用中的負偏置

對于 SiC MOSFET 的應用，需要考慮其獨特的工作特性。由于非理想 PCB 布局和長封裝引腳可能會引入寄生電感，在高 di/dt 和 dv/dt 開關過程中，功率晶體管的柵源驅動電壓可能會出現振鈴。為了避免振鈴超過閾值電壓導致意外導通甚至直通，可在柵極驅動上施加負偏置。負偏置可以提高 SiC MOSFET 的抗噪能力，降低 Cgd 的電容，從而減少振鈴電壓。可通過使用兩個隔離偏置電源或在隔離電源上使用齊納二極管來實現負偏置。

PCB 布局指南

• 組件放置：盡量縮短輸入/輸出走線，減少布局中的寄生電感和電容的影響，避免使用過孔以保持低信號路徑電感。將 VDD 和 VCC 的電源旁路電容以及柵極電阻放置在盡可能靠近柵極驅動器的位置，將柵極驅動器放置在靠近開關器件的位置，以減少走線電感并避免輸出振鈴。
• 接地考慮：在高速信號層下方設置實心接地平面，在 VSSA 和 VSSB 引腳旁邊設置實心接地平面，并使用多個 VSSA 和 VSSB 過孔，以減少寄生電感并最小化輸出信號的振鈴。
• 高壓（VISO）考慮：為了確保初級和次級側之間的隔離性能，不要在驅動器器件下方放置任何 PCB 走線或銅箔，建議使用 PCB 切口以避免可能影響 NCV51561 隔離性能的污染。

總結

NCV51561 隔離式雙通道柵極驅動器憑借其強大的輸出電流能力、靈活的配置選項、豐富的保護功能和良好的電氣特性，成為驅動功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 的理想選擇。在實際應用中，電子工程師需要根據具體的應用場景和要求，合理選擇和使用該驅動器，并注意電源供應、輸入輸出級設計、驅動電流能力、柵極電阻以及 PCB 布局等方面的問題，以確保系統的穩定性和可靠性。你在使用類似柵極驅動器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎留言分享你的經驗和見解。