利用低端栅极驱动器IC进行系统开发

功能选择

　　在选择驱动器IC时，除了额定电流之外，设计人员还面临着功能选择的问题，也就是输入逻辑及配置、输入阈值和封装的选择。对于单沟道驱动器，输入形式包括反向、非反向、双输入和使能输入等选项。要正确设置每一个MOSFET栅极控制信号的极性，通常需要在反向和非反向之间进行选择，由单个控制输出驱动时，不同开关有时选择不同。如果两种极性都需要，则双输入驱动器需要的不同元件更少，由于具有一个反向输入，一个非反向输入，故其可按二者中任一种方式配置。若MOSFET开关时需要额外的控制，比如设置更高的UVLO阈值或启动期间禁用SR一秒，使能输入很有用。

　　驱动器可以带有TTL 或 CMOS输入电平。TTL“低”输入定义为0.8V以下，“高”输入定义为2.0V以上，与电源无关，故TTL阈值近似恒定，总是保持在这两个上下限之间。相反地，CMOS输入阈值大约是电源电压的40% 和 60%。TTL阈值更常见，在输入信号(比如来自低压PWM控制器)幅度较低时尤其有用。不过，CMOS具有更好的噪声容限，故是嘈杂环境的首选。而且利用CMOS可以更精确地设置RC延时，因为其阈值更接近电源电压的一半。当需要精确时序时，输入阈值和传播延迟的温度稳定性也很重要。

　　补偿元件

　　在利用驱动器IC进行设计时，有两个补偿元件十分重要：旁路电容和串联栅极电阻。由于驱动器产生短电流脉冲，故需要阻抗极低的电源来提供最大电流，这通常是通过紧邻驱动器放置一对旁路电容来实现，而驱动器本身也应该尽可能靠近功率开关放置以尽量减小这一电流回路的漏电感(stray inductance)。这种较大的电容一般是电解电容器或另一种ESR值较低的电容器，其电容值是有效负载电容的2~10倍，可利用总栅极电荷通过下式求得：



　　其次，陶瓷旁路电容一般是该值的十分之一。当采用相同的电压源对灵敏的控制电路进行供电时，良好的习惯是：在供电线路上串联数欧姆的电阻，把驱动器部分和控制部分隔离开来。

　　在驱动同步整流器时，驱动器和功率开关之间的串联栅极电阻往往被忽略，但在实际中常常使用2到20欧姆的这样一个电阻，原因有三：第一，可抑制功率开关栅极电容和栅极驱动回路漏电感之间的振铃电流，如图3所示，因为过多的振铃电流会增加EMI，并因快速切换开关而增加损耗。其次，可减慢开关速度，从而降低EMI，不过会导致更高的开关损耗。第三个可能的原因是，使用一个串联栅极驱动电阻可以把驱动器的栅极驱动损耗部分转移到该外接电阻上，而总的栅极驱动损耗保持不变。



　　对于具有控制良好的输入阈值的驱动器IC，可以利用串联电阻外加驱动器输入端的小接地电容，在控制路径上插入固定延时。如图4所示，在增加栅极驱动变压器和若干其它元件之后，低端驱动器还可以用于驱动高端(浮动)开关，作为高压驱动器IC的一种替代方案。这么做的主要原因是，越过隔离边界，缩短传播延迟，实现更稳健的驱动电路。



　　热设计

　　由于驱动器IC的功耗相当显著，故应该关注热设计问题。这是一个两步过程：首先估算驱动器的功耗，然后计算结温，确保其在设计限制范围内。对于这里讨论的简单栅极驱动电路(控制驱动和非谐振)，与功率MOSFET或IGBT每周期开/关有关的总栅极驱动损耗可从开关的资料表给出的总栅极电荷曲线求得，即读取对应所选栅极驱动电压VDD的总栅极电荷Qg，然后按下式计算：



　　这一功耗与串联栅极驱动电阻的值无关，但会影响与驱动电路的其它串联电阻相比驱动器IC所消耗的功率。事实上，驱动器IC功耗所占比例正好是它的有效输出阻抗与驱动回路中所有阻抗总和之比，该值在导通和关断时不同。要进行计算，估算驱动器的有效输出阻抗的最简单方法是：电源电压的一半除以稳态源或二分之一电源电压下的输出钳位吸入电流。其它应该计入内的回路电阻还有开关的外部和内部串联栅极电阻，大容量旁路电容的ESR。因为这些电阻中有部分无法精确获知，按照(7)求得的总栅极驱动功耗可以作为驱动器IC功耗的上限，或者计算值可以使用部分经验值。

　　一旦确定了驱动器IC的功耗，资料表提供的无论何种热参数都应用来估算最大结温。结环热阻θJA 是最常用的参数，但很遗憾它只在某些指定热设计中很精确，比如PCB构建、散热和气流。在无顶部散热器的低气流中，大部分功耗集聚在PCB中。这时，如果结到引脚或结到电路板的热阻给定，且若设计限制了PCB的最大工作温度，假设引脚温度等于最大板温，则可求出工作结温的上限：



　　若结温过高，重新选择改进估算，提供更冷却或选择阻抗更低的驱动器。驱动器供应商要获得更好的结果(以及资料表提供的某些热参数)，对封装和热环境进行有限元分析是一种好方法。