UCC2752x系列雙通道低側高速柵極驅動器：設計與應用指南

在當今的電子設計領域，高速開關電源電路對柵極驅動器的性能要求越來越高。德州儀器（TI）的UCC2752x系列產品，作為最新一代的雙通道、低側、高速柵極驅動器，憑借其卓越的性能和豐富的特性，在眾多應用場景中脫穎而出。

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產品概述

UCC2752x系列包含UCC27523、UCC27525和UCC27526三款產品，具備5A的源極和灌電流能力，擁有業內一流的開關特性。該系列產品提供三種標準邏輯選項：雙反相、雙同相、一個反相和一個同相驅動器，能滿足不同的設計需求。其采用SOIC - 8（D）、MSOP - 8帶外露焊盤（DGN）和3mm × 3mm WSON - 8帶外露焊盤（DSD）等多種封裝形式，其中UCC27526僅提供3mm × 3mm WSON（DSD）封裝。

產品特性分析

1. (V_{DD})和欠壓鎖定（UVLO）

UCC2752x器件在(V{DD})引腳供電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，輸出保持低電平，不受輸入狀態影響。UVLO典型值為4.2V，具有300mV的典型遲滯，可防止低(V{DD})電源電壓的噪聲和偏置電壓下降時產生振蕩。該特性使其能夠在低至5V以下的電壓下工作，非常適合驅動新興的GaN功率半導體器件。為確保高速電路性能，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器件引腳，另一個較大的低ESR電容（如1μF）與之并聯。

2. 工作電源電流

UCC2752x產品的靜態(I{DD})電流極低。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可參考相關圖表。總電源電流由靜態(I{DD})電流、開關引起的平均(I{OUT})電流以及使能引腳和反相輸入引腳上拉電阻的相關電流組成。通過已知的工作頻率（(f{SW})）和MOSFET柵極電荷（(Q{G})），可計算出平均(I{OUT})電流。

3. 輸入級

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數字電源控制器的PWM控制信號驅動。較寬的遲滯（典型值0.9V）提供了比傳統TTL邏輯更高的抗噪能力。此外，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，這通過在反相輸入引腳使用(V{DD})上拉電阻，在同相輸入引腳使用GND下拉電阻來實現。UCC27526采用雙輸入配置，用戶可靈活選擇同相或反相輸入引腳驅動每個通道，但未使用的輸入引腳必須正確偏置，否則輸出將被禁用。

4. 使能功能

UCC27523/5器件具有獨立的使能引腳(EN{x})，采用同相配置（高電平有效）。使能引腳基于TTL和CMOS兼容的輸入閾值邏輯，可由3.3V和5V微控制器的邏輯信號有效控制。在默認狀態下，使能引腳通過上拉電阻連接到(V{DD})，輸出處于使能狀態。UCC27526沒有專用的使能引腳，但可通過未使用的輸入引腳實現使能/禁用功能，不過這些引腳不能浮空。

5. 輸出級

輸出級采用獨特的上拉結構，在功率開關導通轉換的米勒平臺區域（功率開關漏極或集電極電壓經歷(dV/dt)時）可提供最高的峰值源電流。上拉結構由一個P溝道MOSFET和一個額外的N溝道MOSFET并聯組成，N溝道MOSFET在輸出從低到高轉換的瞬間短暫導通，提供峰值源電流的短暫提升。下拉結構由一個N溝道MOSFET組成。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。MOSFET體二極管可提供低阻抗，減少開關過沖和下沖，在許多情況下可省去外部肖特基二極管鉗位。

6. 低傳播延遲和緊密匹配的輸出

UCC2752x驅動器具有業內一流的輸入輸出傳播延遲，典型值為13ns，可實現極低的脈沖傳輸失真，適用于高頻開關應用。兩個通道之間的內部傳播延遲匹配精度極高，典型值為1ns，有利于需要雙柵極驅動且對時序要求嚴格的應用。不過，在直接連接OUTA和OUTB引腳時需謹慎，因為通道之間的延遲可能導致直通電流傳導，建議使用快速(dV/dt)輸入信號，并遵循相關設計指南。

應用與實現

1. 應用信息

在開關電源應用中，高電流柵極驅動器至關重要。它可實現功率器件的快速開關，減少開關功率損耗；解決PWM控制器直接驅動開關器件不可行的問題，實現電平轉換和緩沖驅動功能；減少高頻開關噪聲的影響；驅動柵極驅動變壓器和控制浮動功率器件柵極；降低控制器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，UCC2752x系列產品能夠滿足這些需求。

2. 典型應用設計

在選擇合適的柵極驅動器時，需要考慮輸入輸出邏輯、(V_{DD})、UVLO、驅動電流和功率損耗等因素。

• 輸入輸出邏輯：UCC27523可提供帶使能控制的雙反相輸入輸出；UCC27525可提供一個反相和一個同相輸入輸出控制；UCC27526的每個通道可通過INx - 或INx + 引腳配置為反相或同相輸入輸出。
• 使能和禁用功能：UCC27523/5通過獨立的使能引腳控制；UCC27526通過未使用的輸入引腳實現使能/禁用功能，但這些引腳不能浮空。
• (V_{DD})偏置電源電壓：(V_{DD})引腳的偏置電源電壓不應超過規定值，UCC2752x的工作范圍為4.5V至18V，可驅動多種功率開關。
• 傳播延遲：UCC2752x的典型傳播延遲為13ns，可確保極小的脈沖失真，允許在非常高的頻率下工作。
• 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。功率損耗取決于功率MOSFET的柵極電荷、開關頻率和外部柵極電阻的使用。

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UVLO保護功能決定，上限由(V{DD})引腳的絕對最大電壓額定值決定。UVLO保護具有遲滯功能，可防止電壓波動導致的器件關斷。為確保器件正常工作，應在(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。

PCB布局指南

在設計高速驅動器的PCB布局時，需要遵循以下原則：

• 驅動器應盡可能靠近功率器件，以減小輸出引腳和功率器件柵極之間的高電流走線長度。
• (V_{DD})旁路電容應盡可能靠近驅動器，以提高噪聲濾波效果。
• 導通和關斷電流回路應盡可能小，以減小雜散電感。
• 源極和返回走線應盡可能并聯，利用磁通抵消原理。
• 電源走線和信號走線應分開，如輸出和輸入信號。
• 采用星型接地方式，將驅動器的GND連接到其他電路節點的單點上，以減小噪聲耦合。
• 使用接地平面提供噪聲屏蔽，同時有助于散熱。

總結

UCC2752x系列柵極驅動器憑借其出色的性能和豐富的特性，為高速開關電源電路的設計提供了強大的支持。在實際應用中，電子工程師需要根據具體的設計需求，合理選擇器件，并遵循相關的設計指南和布局原則，以確保系統的可靠性和性能。希望本文能夠為工程師們在使用UCC2752x系列產品時提供有益的參考。你在使用UCC2752x系列產品的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗。