2021年3月15日－隨著5G通信與新能源車的普及，人們對高效率電源的需求越來越多,。而提升電源轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素就在于開關(guān)電源中的功率部分,。
許多高性能、高頻率的PWM控制芯片,，無論是數(shù)字類型還是模擬類型,，都不具備或只有有限的直接驅(qū)動功率MOSFET的能力。因為功率MOSFET對柵極驅(qū)動電流有較高的要求,，驅(qū)動芯片就相當于PWM開關(guān)控制芯片與功率MOSFET之間的橋梁,，用來將開關(guān)信號電流和電壓放大，同時具備一定的故障隔離能力,。一旦確定了選用某種開關(guān)電源方案后,，接下來就要選擇合適的驅(qū)動IC，而選好驅(qū)動芯片,，就需要硬件工程師對電路特性有一定的了解,。
以典型的AC/DC開關(guān)電源系統(tǒng)為例，PFC部分采用無橋升壓拓撲,，可選用一顆NSD1025同時驅(qū)動兩路開關(guān)MOSFET,，LLC的原邊可用一顆半橋隔離驅(qū)動芯片NSi6602同時驅(qū)動上下橋臂MOSFET，副邊用一顆NSD1025驅(qū)動全波同步整流MOSFET,。選用高速高可靠性的驅(qū)動IC,，可以幫助電源系統(tǒng)提升效率和功率密度。
由于開關(guān)電源經(jīng)常需要硬開關(guān)驅(qū)動大功率負載,，在硬開關(guān)以及布局限制的情況下,，功率MOSFET往往會對驅(qū)動芯片的輸入和輸出端形成較大的地彈電壓和振蕩尖峰電壓。地彈電壓會造成驅(qū)動器輸入端等效出現(xiàn)負電壓,，因為內(nèi)部等效體二極管,，大多數(shù)柵極驅(qū)動器能夠承受一定的負壓脈沖。然而,，亦有必要采取預防措施,，以防止驅(qū)動器輸入端的過沖和欠壓尖峰過大，而對驅(qū)動芯片造成損壞,，或產(chǎn)生誤動作,。
驅(qū)動輸入端負壓尖峰的形成原因
仍以PFC拓撲為例，低邊驅(qū)動器用在控制芯片與功率MOSFET之間,，以幫助減小開關(guān)損耗,，并為MOSFET提供足夠的驅(qū)動電流，以跨過米勒平臺區(qū)域,，實現(xiàn)快速打開,。在開關(guān)MOSFET的時候，有一個高di/dt的脈沖產(chǎn)生,，這種快速變化與寄生電感共同作用,，產(chǎn)生了負電壓峰值，可以用Vn = Lss* di/dt公式估算,。Lss代表寄生電感,。寄生電感值約等于功率MOSFET的內(nèi)部鍵合線和PCB回線接地回路中的電感量之和，其值可以從幾nH至十幾nH不等,，寄生電感大小主要取決于PCB布局布線,。
從上面等式可以看出，負向電壓與寄生電感和電流變化率均成正比,。在典型的低邊柵極驅(qū)動電路中,，雖然控制器和功率MOSFET使用同一個直流地平面作為參考,，但一些情況下,，由于驅(qū)動器和控制器有一定距離，所以總會存在寄生電感,。高di/dt的電流在流經(jīng)MOSFET及其板級回路時,，寄生電感存在會導致驅(qū)動器的地電位相對于控制器地電位瞬間抬升,，驅(qū)動器的輸入和地之間就相當于出現(xiàn)一個瞬間負壓。在極端情況下,，可能造成驅(qū)動器內(nèi)部輸入ESD器件受損,，驅(qū)動器出現(xiàn)失效。
另一個常見的出現(xiàn)輸入負壓的場景與對MOSFET進行電流采樣相關(guān),。為了實現(xiàn)更精確的控制,，有時在功率MOSFET和大地之間會接一個采樣電阻，用這個采樣電阻來檢測流過MOSFET的電流,，從而使控制器能快速做出響應,。而為了使MOSFET的驅(qū)動環(huán)路足夠小,，會將驅(qū)動器的GND引腳與MOSFET的源極連接在一起，而控制芯片的GND與真正的地平面在一起,，這樣驅(qū)動器的GND和控制芯片GND之間就會存在一個偏置電壓,，因此控制芯片輸出低電平時，相對于驅(qū)動器的輸入端,，則有一個負向的偏置電壓,。
如何應對輸入端負壓
對于寄生電感引起的輸入瞬間負壓，一般有三種應對方案,。首先,，可以通過減小開關(guān)速度來降低影響，減小開關(guān)速度能降低電流變化速率di/dt,，瞬間負壓幅度也就會下降,。但這樣處理有副作用，降低開關(guān)速度就會增加轉(zhuǎn)換時間,，所以會增加開關(guān)損耗,，而在一些應用中如果對響應時間有要求，降低開關(guān)速度的方法就未必適合,。
第二種方法是盡可能優(yōu)化PCB布局布線,，減小寄生參數(shù)，從而減小負壓峰值,，這是系統(tǒng)設計中常見的方法,，但需要硬件工程師有非常豐富的設計經(jīng)驗，而在一些設計條件限制下,，也可能無法優(yōu)化PCB布局布線
第三種方法是選擇抗干擾能力強的器件,，例如納芯微電子新推出的同相雙通道高速柵極驅(qū)動器NSD1025。NSD1025通過優(yōu)化輸入端的ESD結(jié)構(gòu),，能夠承受最大-10V的輸入電壓,，相比其他競品驅(qū)動，NSD1025更能應對常見應用場景的瞬態(tài)負脈沖,，有更好的可靠性,。
經(jīng)驗豐富的工程師通常會同時考慮三種抗擾方案，然后根據(jù)應用約束來達到最優(yōu)選擇,。但選擇抗干擾能力強的器件,，無疑能為整個系統(tǒng)的設計帶來更多的容錯空間與選擇余地，所以也就成為工程師在系統(tǒng)設計時候的第一步,。
除了耐受負壓能力強,，NSD1025還提供欠壓鎖定功能，保持輸出低電平直到電源電壓進入工作范圍內(nèi)，而高低閾值之間的遲滯功能也提供了更出色的抗干擾能力,。非常適合電源系統(tǒng),、電機控制器、線性驅(qū)動器和GaN等寬帶隙功率器件驅(qū)動等應用場景,。
在NSD1025之后,，納芯微還將推出600V高低邊驅(qū)動器，以及專為GaN設計的600V高低邊驅(qū)動芯片,。可為工程師在工業(yè)電源,、電機驅(qū)動等應用中的抗干擾設計,，帶來更好的解決方案。