深入解析UCC2752x系列高速柵極驅動器：特性、應用與設計要點

在電子工程領域，高速開關電源電路的設計一直是一個關鍵的研究方向。而柵極驅動器作為其中的重要組成部分，其性能直接影響著整個電路的效率、穩定性和可靠性。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）推出的UCC2752x系列高速柵極驅動器。

文件下載：ucc27523.pdf

一、UCC2752x系列概述

UCC2752x系列是TI最新一代的雙通道、低側、高速柵極驅動器產品，包括UCC27523、UCC27525和UCC27526三款器件。該系列產品具有5A的源極和漏極電流能力，擁有業界一流的開關特性，能夠確保在高頻開關電源電路中實現高效、穩健和可靠的運行。

1.1 產品特性

• 多種邏輯選項：提供三種標準邏輯選項，包括雙反相、雙同相以及一個反相和一個同相驅動器，可滿足不同的應用需求。
• 安全設計：內部上拉和下拉電阻確保在輸入引腳浮空時輸出保持低電平，提高了系統的安全性。
• 靈活的輸入配置：UCC27526具有雙輸入設計，每個通道可靈活配置為反相（IN–引腳）或同相（IN+引腳）。
• 使能功能：UCC27523和UCC27525配備使能引腳（ENA和ENB），可更好地控制驅動器應用的操作。
• 寬工作電壓范圍：可在4.5V至18V的電源電壓下工作，適用于多種功率開關器件的驅動。
• 低傳播延遲：典型傳播延遲為13ns，能夠有效減少脈沖失真，支持高頻操作。
• 緊密匹配的輸出：兩個通道之間的內部傳播延遲典型值為1ns，適用于對時序要求嚴格的雙柵極驅動應用。

1.2 封裝形式

UCC2752x系列器件提供多種封裝形式，包括SOIC - 8（D）、MSOP - 8帶外露焊盤（DGN）和3mm × 3mm WSON - 8帶外露焊盤（DSD）。其中，UCC27526僅提供3mm × 3mm WSON（DSD）封裝。不同的封裝形式可滿足不同應用場景對尺寸、散熱等方面的要求。

二、UCC2752x系列的詳細特性分析

2.1 (V_{DD})和欠壓鎖定（UVLO）保護

UCC2752x器件在(V{DD})引腳電源電路塊上具備內部欠壓鎖定（UVLO）保護功能。當(V{DD})上升且低于UVLO閾值時，無論輸入狀態如何，輸出都保持低電平。典型的UVLO閾值為4.2V，具有300mV的典型遲滯，可防止低(V{DD})電源電壓存在噪聲或系統開始切換時(V{DD})偏置電壓下降導致的抖動。同時，該系列器件能夠在低至5V以下的電壓水平下工作，結合出色的開關特性，非常適合驅動新興的GaN功率半導體器件。

為了獲得最佳的高速電路性能，TI建議在(V{DD})和GND引腳之間使用兩個旁路電容，一個0.1μF的陶瓷電容應盡可能靠近柵極驅動器的(V{DD})和GND引腳，另外一個較大的電容（如1μF）且具有較低的等效串聯電阻（ESR）應與之并聯，以幫助提供負載所需的高電流峰值。

2.2 工作電源電流

UCC2752x產品具有極低的靜態IDD電流。在UVLO狀態和完全導通狀態（靜態和開關條件下）的典型工作電源電流在相關圖表中有詳細總結。當器件完全導通且輸出處于靜態狀態時，IDD電流代表了所有內部邏輯電路完全運行時的最低靜態IDD電流。總電源電流是靜態IDD電流、開關引起的平均IOUT電流以及使能引腳和反相輸入引腳上拉電阻相關電流的總和。

2.3 輸入級

UCC2752x柵極驅動器的輸入引腳基于TTL和CMOS兼容的輸入閾值邏輯，與(V_{DD})電源電壓無關。典型的高閾值為2.1V，低閾值為1.2V，可方便地由3.3V和5V數字電源控制器設備的PWM控制信號驅動。較寬的遲滯（典型值為0.9V）相比傳統TTL邏輯實現具有更強的抗噪能力。同時，輸入引腳的閾值電壓水平控制嚴格，可確保在不同溫度下穩定運行。

此外，UCC2752x器件具有重要的安全特性，當任何輸入引腳處于浮空狀態時，相應通道的輸出將保持低電平。UCC27523/5每個通道有一個輸入引腳，而UCC27526每個通道有兩個輸入引腳，用戶可靈活選擇使用同相輸入引腳（INx+）或反相輸入引腳（INx–）來驅動通道。未使用的輸入引腳必須正確偏置以啟用通道輸出，也可用于實現使能/禁用功能。

2.4 使能功能

使能功能在柵極驅動器中非常有用，特別是在同步整流等應用中，可在輕載條件下禁用驅動器輸出，防止負電流循環，提高輕載效率。UCC27523/5器件配備獨立的使能引腳ENx，基于同相配置（高電平有效），可通過3.3V和5V微控制器的邏輯信號有效控制。使能引腳的閾值電壓水平控制嚴格，確保在不同溫度下穩定運行。在默認狀態下，ENx引腳通過上拉電阻上拉到(VDD)，輸出處于啟用狀態，因此在不需要使能功能的標準操作中，ENx引腳可浮空或不連接。

UCC27526器件沒有專用的使能引腳，但可使用未使用的輸入引腳輕松實現使能/禁用功能。當INx+拉低到GND或INx–拉低到VDD時，輸出被禁用，因此INx+引腳可作為高電平有效邏輯的使能引腳，INx–引腳可作為低電平有效邏輯的使能引腳。需要注意的是，UCC27526的INx+和INx–引腳不允許浮空，否則會禁用輸出。

2.5 輸出級

UCC2752x器件的輸出級采用獨特的架構，在上拉結構中，P溝道MOSFET和一個額外的N溝道MOSFET并聯。在功率開關導通過渡的米勒平臺區域（功率開關漏極或集電極電壓經歷dV/dt時），N溝道MOSFET可提供短暫的峰值源電流提升，實現快速導通。(R{OH})參數代表P溝道器件的導通電阻，N溝道器件在直流條件下處于關斷狀態，僅在輸出從低到高狀態變化的瞬間導通，因此在導通瞬間上拉階段的有效電阻遠低于(R{OH})參數。

下拉結構由一個N溝道MOSFET組成，(R{OL})參數代表下拉階段的阻抗。每個輸出級可提供5A的峰值源電流和5A的峰值灌電流脈沖，輸出電壓在(V{DD})和GND之間擺動，實現軌到軌操作，且MOS輸出級具有極低的壓降。MOSFET體二極管對開關過沖和下沖提供低阻抗，在許多情況下可省去外部肖特基二極管鉗位。輸出能夠承受500mA的反向電流，不會損壞器件或導致邏輯故障。

2.6 低傳播延遲和緊密匹配的輸出

UCC2752x驅動器具有業界一流的13ns（典型值）輸入到輸出傳播延遲，可有效減少高頻開關應用中的脈沖傳輸失真。例如，在同步整流應用中，使用一個驅動器驅動兩個SR MOSFET時，可實現極低的失真。同時，兩個通道之間的內部傳播延遲典型值為1ns，這對于需要關鍵時序的雙柵極驅動應用非常有益，如PFC應用中，可確保并聯MOSFET同時驅動，減少導通延遲差異。

當直接連接OUTA和OUTB引腳以增加電流驅動能力時，需要注意兩個通道在導通或關斷時可能存在的延遲，這可能導致直通電流傳導。因此，建議使用非常快的dV/dt輸入信號（20V/μs或更高），將INA和INB連接盡可能靠近器件引腳，并在必要時在OUTA和OUTB上串聯柵極電阻，以限制直通電流。

三、UCC2752x系列的應用與設計要點

3.1 應用信息

在開關電源應用中，高性能的柵極驅動器必不可少。它可實現功率器件的快速開關，減少開關功率損耗，同時解決PWM控制器直接驅動開關器件不可行的問題。特別是在數字電源應用中，PWM信號通常為3.3V邏輯信號，無法有效導通功率開關，需要柵極驅動器進行電平轉換和緩沖驅動。此外，柵極驅動器還可減少高頻開關噪聲的影響，驅動柵極驅動變壓器，控制浮動功率器件的柵極，降低控制器設備的功率損耗和熱應力。

新興的寬帶隙功率器件技術，如基于GaN的開關，對柵極驅動能力提出了特殊要求，包括在低(V_{DD})電壓（5V或更低）下工作、低傳播延遲、緊密的延遲匹配以及采用緊湊、低電感且具有良好散熱能力的封裝。UCC2752x系列驅動器能夠滿足這些需求，是開關電源應用中的理想選擇。

3.2 設計要點

3.2.1 輸入到輸出邏輯

在選擇合適的柵極驅動器時，需要根據應用需求確定輸入到輸出的配置。UCC27523可提供帶使能控制的雙反相輸入到輸出；UCC27525可提供一個反相和一個同相輸入到輸出控制；UCC27526每個通道可通過INx–或INx+引腳分別配置為反相或同相輸入到輸出。

3.2.2 使能和禁用功能

某些應用需要獨立控制驅動器的輸出狀態。UCC27523/5器件提供兩個獨立的使能引腳ENx，可獨家控制每個驅動器通道。UCC27526器件沒有專用的使能引腳，但可使用未使用的輸入引腳實現使能/禁用功能。需要注意的是，UCC27523/5的ENA、ENB引腳在標準操作中可浮空，輸出將被啟用，而UCC27526的INx+、INx–引腳不允許浮空，否則會禁用輸出。

3.2.3 (V_{DD})偏置電源電壓

施加到器件(V_{DD})引腳的偏置電源電壓不應超過規定值。不同的功率開關需要不同的柵極電壓來實現有效導通和關斷，UCC2752x器件的工作電壓范圍為4.5V至18V，可用于驅動多種功率開關，如Si MOSFET和IGBT。

3.2.4 傳播延遲

柵極驅動器的可接受傳播延遲取決于其使用的開關頻率和系統可接受的脈沖失真水平。UCC2752x器件具有快速的13ns（典型值）傳播延遲，可確保極少的脈沖失真，支持高頻操作。

3.2.5 驅動電流和功率損耗

UCC27523/5/6系列驅動器能夠在(V_{DD}=12V)時為MOSFET柵極提供5A的電流。驅動器件的功率損耗取決于功率MOSFET所需的柵極電荷、開關頻率和外部柵極電阻的使用。由于UCC2752x具有極低的靜態電流和內部邏輯以消除輸出驅動器階段的直通電流，因此其對柵極驅動器內部功率損耗的影響可忽略不計。

四、電源供應與布局建議

4.1 電源供應建議

UCC2752x器件的偏置電源電壓范圍為4.5V至18V。下限由(V{DD})引腳電源電路塊上的內部欠壓鎖定（UVLO）保護功能決定，當(V{DD})低于ON電源啟動閾值時，輸出保持低電平。上限由器件(V{DD})引腳的20V絕對最大電壓額定值決定，考慮到瞬態電壓尖峰，建議(V{DD})引腳的最大電壓為18V。

UVLO保護功能具有遲滯特性，可防止電壓波動導致的器件誤關斷。在系統啟動和關機時，需要考慮(V{DD})電壓的上升和下降閾值。此外，為了確保器件的穩定運行，需要在(V{DD})和GND引腳之間提供本地旁路電容，建議使用一個100nF的陶瓷表面貼裝電容和一個幾微法的表面貼裝電容并聯。

4.2 布局建議

在設計高速開關電路時，正確的PCB布局至關重要。UCC27523/5/6系列柵極驅動器具有短傳播延遲和強大的輸出級，能夠在功率MOSFET的柵極提供大電流峰值和快速的上升和下降時間。為了減少高di/dt引起的振鈴，需要遵循以下布局準則：

• 靠近功率器件：將驅動器器件盡可能靠近功率器件，以減少輸出引腳和功率器件柵極之間的高電流走線長度。
• 旁路電容：將(V{DD})旁路電容放置在(V{DD})和GND之間，盡可能靠近驅動器，減少走線長度，提高噪聲濾波效果。建議使用低電感的SMD組件，如貼片電阻和貼片電容。
• 最小化電流回路：盡量減小導通和關斷電流回路的路徑，以降低雜散電感。在導通和關斷瞬變期間，這些回路中的高dI/dt會在驅動器輸出引腳和功率MOSFET柵極上感應出顯著的電壓瞬變。
• 分離電源和信號走線：將電源走線和信號走線分開，如輸出和輸入信號。
• 星型接地：采用星型接地方式，將驅動器的GND與其他電路節點（如功率MOSFET的源極和PWM控制器的地）連接在一個單點上，連接路徑應盡可能短且寬，以減少電感和電阻。
• 接地平面：使用接地平面提供噪聲屏蔽，防止OUT引腳的快速上升和下降時間在過渡期間干擾輸入信號。接地平面不應作為任何電流回路的傳導路徑，而應通過單個走線連接到星型接地點，以建立接地電位，同時還可幫助散熱。
• 處理未使用通道：在嘈雜環境中，可能需要使用短走線將UCC27526未使用通道的輸入引腳連接到(V_{DD})（INx+引腳）或GND（INX–引腳），以確保輸出啟用并防止噪聲導致輸出故障。

五、總結

UCC2752x系列高速柵極驅動器憑借其出色的性能、靈活的配置和豐富的功能，為高速開關電源電路的設計提供了優秀的解決方案。在實際應用中，我們需要根據具體的需求選擇合適的器件，并嚴格遵循電源供應和布局建議，以充分發揮其優勢，確保電路的高效、穩定和可靠運行。你在使用UCC2752x系列驅動器過程中遇到過哪些問題呢？或者你對其他高速柵極驅動器也有研究，歡迎在評論區分享你的經驗和見解。