深入剖析UCC27518和UCC27519單通道高速低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器

在電子設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中，柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)于功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)起著至關(guān)重要的作用。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）的UCC27518和UCC27519單通道高速低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器，這兩款器件在開關(guān)電源等應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用前景。

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一、產(chǎn)品概述

UCC27518和UCC27519是單通道、高速、低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器，能夠有效驅(qū)動(dòng)MOSFET和IGBT功率開關(guān)。它們采用了一種能將直通電流降至最低的設(shè)計(jì)，可向容性負(fù)載提供和吸收高峰值電流脈沖，具備軌到軌驅(qū)動(dòng)能力，典型傳播延遲僅為17ns。在VDD = 12V時(shí)，能提供4A源極和4A漏極（對(duì)稱驅(qū)動(dòng)）的峰值驅(qū)動(dòng)電流能力。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

（一）成本與兼容性

這兩款器件成本較低，能很好地替代NPN和PNP分立解決方案，并且與TI的TPS2828和TPS2829器件引腳兼容，為工程師在設(shè)計(jì)時(shí)提供了更多的選擇和便利。

（二）驅(qū)動(dòng)能力

具備4A峰值源極和4A峰值漏極的對(duì)稱驅(qū)動(dòng)能力，能夠滿足多種功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)需求，確保功率開關(guān)的快速、穩(wěn)定切換。

（三）高速性能

快速的傳播延遲（典型值17ns）和快速的上升、下降時(shí)間（典型值分別為8ns和7ns），使得在高頻開關(guān)應(yīng)用中，能有效減少脈沖傳輸失真，提高系統(tǒng)的效率和性能。

（四）寬工作范圍

單電源范圍為4.5V至18V，工作溫度范圍為 - 40°C至140°C，這使得它們能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境和電源條件，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（五）輸入輸出特性

• CMOS輸入邏輯閾值：輸入閾值電壓是VDD電源電壓的函數(shù)，典型的輸入高閾值（VIN - H）為55%VDD，輸入低閾值（VIN - L）為39%VDD，且高低閾值之間有較寬的滯回（典型值16%VDD），這提供了出色的抗噪能力，還允許用戶通過在輸入PWM信號(hào)和器件的INx引腳之間使用RC電路來引入延遲。
• 輸出特性：在VDD欠壓鎖定（UVLO）期間輸出保持低電平，確保上電和掉電時(shí)無干擾運(yùn)行；當(dāng)輸入引腳浮空時(shí)，輸出也保持低電平，這是一個(gè)重要的安全特性。

（六）使能功能

EN引腳用于使能功能，該引腳可以不連接，方便與TI的其他產(chǎn)品兼容。其閾值為固定電壓閾值，不隨VDD引腳偏置電壓變化，典型的使能高閾值（VEN - H）為2.1V，使能低閾值（VEN - L）為1.25V。

三、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

UCC27518和UCC27519在多個(gè)領(lǐng)域都有重要應(yīng)用：

（一）開關(guān)電源

在開關(guān)模式電源和DC - DC轉(zhuǎn)換器中，它們能夠快速驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)，減少開關(guān)損耗，提高電源的效率和性能。

（二）數(shù)字電源

作為數(shù)字功率控制器的配套柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)備，能為數(shù)字電源系統(tǒng)提供穩(wěn)定、高效的驅(qū)動(dòng)能力。

（三）新興功率器件

對(duì)于新興的寬帶隙功率器件（如GaN），由于其對(duì)驅(qū)動(dòng)要求較高，需要低電壓驅(qū)動(dòng)、低傳播延遲等特性，UCC27518和UCC27519正好滿足這些需求，成為驅(qū)動(dòng)這類器件的理想選擇。

四、詳細(xì)特性剖析

（一）VDD和欠壓鎖定（UVLO）

器件的VDD引腳具備內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能。當(dāng)VDD電壓低于開啟閾值（典型值4.2V）或關(guān)閉閾值時(shí)，電路會(huì)將所有輸出保持為低電平，不受輸入狀態(tài)的影響。該功能的滯回特性（典型值300mV）可防止在低VDD電源電壓有噪聲或系統(tǒng)開關(guān)時(shí)VDD偏置電壓下降時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)。同時(shí)，它們能夠在低電壓（如低于5V）下工作，結(jié)合出色的開關(guān)特性，非常適合驅(qū)動(dòng)GaN寬帶隙功率半導(dǎo)體器件。為了確保高速電路性能，建議在VDD和GND引腳之間使用兩個(gè)旁路電容，一個(gè)0.1μF的陶瓷電容盡可能靠近引腳放置，另一個(gè)較大的電容（如1μF）具有較低的ESR，與之并聯(lián)放置，以提供負(fù)載所需的高電流峰值。

（二）工作電源電流

UCC27518和UCC27519的靜態(tài)電流非常低。在欠壓鎖定（UVLO）狀態(tài)和完全導(dǎo)通狀態(tài)（靜態(tài)和開關(guān)條件下）的典型工作電源電流在相關(guān)圖表中有詳細(xì)展示?？傠娫措娏魇庆o態(tài)電流、由于開關(guān)產(chǎn)生的平均電流以及任何與未使用輸入引腳的上拉電阻相關(guān)的電流之和。在不同VDD偏置電壓和1.8nF開關(guān)負(fù)載下，IDD電流隨開關(guān)頻率的變化呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，且與理論值的平均IOUT密切相關(guān)，這表明柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的直通電流可以忽略不計(jì)，體現(xiàn)了其高速特性。

（三）輸入級(jí)

輸入引腳基于CMOS輸入邏輯，閾值電壓是VDD引腳偏置電壓的函數(shù)。這使得它們?cè)诟遃DD電壓下具有寬滯回特性，能夠接受緩慢的dV/dt輸入信號(hào)，并且可以通過在輸入PWM信號(hào)和INx引腳之間插入RC電路來編程輸入信號(hào)和輸出轉(zhuǎn)換之間的延遲。

（四）使能功能

使能引腳采用非反相配置（高電平有效操作）。當(dāng)EN引腳驅(qū)動(dòng)為高電平時(shí)，輸出被啟用；驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)，輸出被禁用。與輸入引腳不同，使能引腳的閾值基于與TTL/CMOS兼容的輸入閾值邏輯，不隨電源電壓變化。因此，可以使用3.3V和5V微控制器的邏輯信號(hào)來有效控制EN引腳。該引腳內(nèi)部通過上拉電阻連接到VDD，默認(rèn)狀態(tài)下設(shè)備輸出是啟用的，所以在不需要使能功能時(shí)，EN引腳可以浮空或不連接，這使得UCC27518/19與TI的上一代驅(qū)動(dòng)器TPS2828/9引腳兼容。

（五）輸出級(jí)

在VDD = 12V時(shí)，UCC27518和UCC27519能夠提供4A源極和4A漏極的對(duì)稱驅(qū)動(dòng)。其輸出級(jí)采用獨(dú)特的架構(gòu)，在功率開關(guān)導(dǎo)通過渡的米勒平臺(tái)區(qū)域（功率開關(guān)漏極/集電極電壓發(fā)生dV/dt變化時(shí)）能夠提供最高的峰值源電流。輸出級(jí)采用混合上拉結(jié)構(gòu)，使用N溝道和P溝道MOSFET器件并聯(lián)排列。在輸出從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，短暫地導(dǎo)通N溝道MOSFET，能夠提供峰值源電流的短暫提升，實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)通。輸出電壓在VDD和GND之間擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軌到軌操作，由于MOS輸出級(jí)的壓降非常低。MOSFET體二極管對(duì)開關(guān)過沖和下沖提供低阻抗，在很多情況下可以省去外部肖特基二極管鉗位。輸出設(shè)計(jì)能夠承受500mA的反向電流，而不會(huì)損壞設(shè)備或?qū)е逻壿嫻收稀?/p>

（六）低傳播延遲

在VDD = 12V時(shí)，輸入到輸出的傳播延遲典型值為17ns，這在業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的柵極驅(qū)動(dòng)器器件中處于領(lǐng)先水平，能夠保證高頻開關(guān)應(yīng)用中脈沖傳輸失真最小。并且傳播延遲隨溫度和電源電壓的變化很小，在整個(gè)應(yīng)用條件范圍內(nèi)典型傳播延遲小于20ns。

五、應(yīng)用與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

（一）設(shè)計(jì)要求

在為最終應(yīng)用選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，需要考慮多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，如輸入到輸出的配置（反相或同相）、輸入閾值類型（如CMOS類型）、VDD偏置電源電壓、峰值源極和漏極電流、是否需要獨(dú)立的使能和禁用功能、傳播延遲以及封裝類型等。

（二）詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

1. 輸入到輸出邏輯

如果希望在輸入信號(hào)為高電平時(shí)導(dǎo)通功率MOSFET或IGBT，應(yīng)選擇同相配置；如果希望在輸入信號(hào)為高電平時(shí)關(guān)斷功率MOSFET或IGBT，則應(yīng)選擇反相配置。UCC27518和UCC27519分別遵循反相和同相邏輯。

2. 輸入閾值類型

UCC27518和UCC27519采用CMOS輸入閾值邏輯，具有較寬的滯回特性。該邏輯的閾值電壓是VDD引腳偏置電壓的函數(shù)，典型的高閾值為VDD電源電壓的55%，低閾值為39%（在VDD = 12V時(shí)），滯回典型值為16%VDD。與邏輯電平閾值器件相比，CMOS邏輯提供的閾值電壓絕對(duì)值更高，這帶來了更好的抗噪能力，并且能夠接受緩慢的dV/dt輸入信號(hào)，允許設(shè)計(jì)師在輸入引腳使用RCD電路來編程傳播延遲。但需要注意的是，由于CMOS輸入邏輯的特性，UCC27518和UCC27519不能直接由微控制器、數(shù)字功率控制器或DSP的邏輯電平控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)，更適合由與柵極驅(qū)動(dòng)器器件使用相同VDD電壓的模擬控制器驅(qū)動(dòng)。

3. VDD偏置電源電壓

施加到器件VDD引腳的偏置電源電壓不應(yīng)超過推薦工作條件中列出的值。不同的功率開關(guān)需要不同的柵極電壓來實(shí)現(xiàn)有效的導(dǎo)通和關(guān)斷。UCC27518和UCC27519具有4.5V至18V的寬工作范圍，可用于驅(qū)動(dòng)多種功率開關(guān)，如Si MOSFET、IGBT和寬帶隙功率半導(dǎo)體（如GaN）。

4. 峰值源極和漏極電流

為了最小化開關(guān)功率損耗，功率開關(guān)在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的開關(guān)速度應(yīng)盡可能快。柵極驅(qū)動(dòng)器必須能夠提供所需的峰值電流，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功率MOSFET的目標(biāo)開關(guān)速度。例如，在一個(gè)特定的應(yīng)用中，要求SPP20N60C3功率MOSFET在400V直流母線電壓下以20V/ns或更高的dVDS/dt導(dǎo)通，經(jīng)計(jì)算需要柵極驅(qū)動(dòng)器提供1.65A或更高的峰值電流，而UCC27518和UCC27519能夠提供4A的峰值源電流，滿足設(shè)計(jì)要求。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，PCB柵極驅(qū)動(dòng)電路中的寄生走線電感會(huì)影響功率MOSFET的開關(guān)速度，因此應(yīng)將柵極驅(qū)動(dòng)器靠近功率MOSFET放置，設(shè)計(jì)一個(gè)具有最小PCB走線電感的緊密柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)器的全峰值電流能力。

5. 使能和禁用功能

某些應(yīng)用需要獨(dú)立控制驅(qū)動(dòng)器的輸出狀態(tài)，而不涉及輸入信號(hào)。UCC27518和UCC27519提供的使能引腳可以滿足這一需求。

6. 傳播延遲

柵極驅(qū)動(dòng)器的可接受傳播延遲取決于其使用的開關(guān)頻率以及系統(tǒng)可接受的脈沖失真水平。UCC27518和UCC27519具有業(yè)界領(lǐng)先的17ns（典型值）傳播延遲，確保脈沖失真極小，允許在非常高的頻率下工作。

六、電源供應(yīng)與布局建議

（一）電源供應(yīng)建議

UCC27518和UCC27519的額定工作偏置電源電壓范圍為4.5V至18V。較低的電壓范圍由VDD引腳電源電路塊上的內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能決定，當(dāng)VDD引腳電壓低于開啟閾值時(shí)，輸出保持低電平。較高的電壓范圍受VDD引腳20V的絕對(duì)最大電壓額定值限制，建議最大電壓為18V，以留出2V的余量應(yīng)對(duì)瞬態(tài)電壓尖峰。UVLO保護(hù)功能還具有滯回特性，在電壓下降時(shí)，只要不超過滯回規(guī)格，設(shè)備將繼續(xù)正常工作。在系統(tǒng)關(guān)閉期間，設(shè)備將繼續(xù)工作直到VDD引腳電壓低于關(guān)閉閾值；在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，設(shè)備要等到VDD引腳電壓超過開啟閾值才開始工作。為了去耦，應(yīng)在VDD和GND引腳之間提供本地旁路電容，并盡可能靠近設(shè)備放置，建議使用一個(gè)100nF的陶瓷表面貼裝電容和一個(gè)幾微法的表面貼裝電容并聯(lián)。

（二）布局建議

1. 布局準(zhǔn)則

• 靠近功率器件：將驅(qū)動(dòng)器設(shè)備盡可能靠近功率器件放置，以最小化輸出引腳和功率器件柵極之間的高電流走線長(zhǎng)度。
• 旁路電容放置：將VDD旁路電容放置在VDD和GND之間，盡可能靠近驅(qū)動(dòng)器，減少走線長(zhǎng)度，以提高噪聲過濾效果。建議使用低電感的SMD組件，如片式電阻器和片式電容器。
• 最小化電流環(huán)路：盡量減小導(dǎo)通和關(guān)斷電流環(huán)路路徑（驅(qū)動(dòng)器設(shè)備、功率MOSFET和VDD旁路電容）的面積，以將雜散電感降至最低。因?yàn)樵趯?dǎo)通和關(guān)斷瞬變期間，這些環(huán)路中會(huì)建立高dI/dt，可能會(huì)在驅(qū)動(dòng)器設(shè)備的輸出引腳和功率開關(guān)的柵極上感應(yīng)出顯著的電壓瞬變。
• 并行走線：在可能的情況下，將源極和返回走線并行放置，利用磁通抵消原理減少干擾。
• 分離信號(hào)和功率走線：將功率走線和信號(hào)走線（如輸出和輸入信號(hào)）分開，以減少干擾。
• 星型接地：采用星型接地方法，將驅(qū)動(dòng)器的GND連接到其他電路節(jié)點(diǎn)（如功率開關(guān)的源極、PWM控制器的地等）的單點(diǎn)上，連接路徑應(yīng)盡可能短以減少電感，盡可能寬以減少電阻。
• 使用接地平面：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(shí)間在轉(zhuǎn)換期間干擾輸入信號(hào)。接地平面不應(yīng)作為任何電流環(huán)路的傳導(dǎo)路徑，而應(yīng)通過一條單一的走線連接到星型接地，以建立接地電位，同時(shí)接地平面還可以幫助散熱。

2. 熱考慮

驅(qū)動(dòng)器的有用范圍受負(fù)載的驅(qū)動(dòng)功率要求和封裝的熱特性影響。為了使柵極驅(qū)動(dòng)器在特定溫度范圍內(nèi)正常工作，封裝必須能夠有效地散熱，同時(shí)保持結(jié)溫在額定范圍內(nèi)。詳細(xì)的熱信息可參考德州儀器的應(yīng)用筆記《IC封裝熱指標(biāo)》（SPRA953）。

3. 功率損耗

柵極驅(qū)動(dòng)器的功率損耗分為直流部分（PDC）和開關(guān)部分（PSW）。直流部分的功率損耗PDC = IQ ×VDD，其中IQ是驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)電流。UCC27518和UCC27519的靜態(tài)電流非常低（小于1mA），并且內(nèi)部邏輯消除了輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)的直通電流，因此直流部分的功率損耗可以忽略不計(jì)。開關(guān)部分的功率損耗PSW取決于功率器件所需的柵極電荷、開關(guān)頻率和外部柵極電阻的使用?？梢酝ㄟ^相關(guān)公式計(jì)算功率損耗，當(dāng)使用外部柵極電阻時(shí)，功率損耗將在驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電阻和外部柵極電阻之間按電阻比例分配。

七、總結(jié)

UCC27518和UCC27519單通道高速低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器憑借其出色的性能、廣泛的應(yīng)用范圍和靈活的設(shè)計(jì)特性，成為電子工程師在開關(guān)電源、數(shù)字電源以及新興寬帶隙功率器件驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要充分考慮其各項(xiàng)特性和設(shè)計(jì)要求，合理布局和選擇電源，以確保系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。大家在使用這兩款驅(qū)動(dòng)器的過程中，有沒有遇到過一些獨(dú)特的問題或者有什么特別的經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)留言分享。