驱动器UCC27201上电时刻HO引脚误脉冲的分析

摘要

在隔离DC/DC电源中经常会使用到带浮地功能的双通道驱动器UCC27201。实际应用发现，某些场景中，其HO引脚会在上电时刻产生误脉冲。该误脉冲导致系统有开机异常的风险。本文通过实际仿真和电路原理分析，详细介绍了误脉冲产生的机理，随后提供了两个针对该误脉冲的解决方案，并给予了详细解释。

1、隔离电源系统设计

某隔离电源系统完成DC/DC的转换，采用全桥拓扑，输出电压为12V。其中，全桥的原边侧驱动器就采用了UCC27201，共计两颗。

1.1隔离电源系统简述

该隔离电源系统完成宽范围输入电压（36V~72V）到12V的转换，输出功率350W。系统采用带同步整流功能的硬开关全桥拓扑（HSFB）。图1所示的是该系统的方框图，包含有主控芯片LM5035，置于原边侧的驱动器UCC27201，置于副边侧的驱动器UCC27324和隔离器等器件。

图1：隔离电源系统框图

1.2UCC27201的应用

UCC27201是带有浮地功能的MOSFET驱动器，具有高端输出和低端输出两个通道，可以应用于BUCK，半桥和全桥等拓扑。该芯片引脚的描述如下：

●VDD(Pin1)：供电引脚，范围是8V~17V，典型值为12V；

●VSS(Pin7)：芯片地引脚；

●HI,LI(Pin5,Pin6)：高端驱动输入和低端驱动输入；

●HO,LO(Pin3,Pin8)：高端驱动输出和低端驱动输出；

●HB,HS(pin2,pin4)：浮地供电和浮地引脚，用于高端驱动供电；

如图2，在本电源系统中，一颗UCC27201的两路输出驱动全桥同一侧桥臂的两个MOSFET，主要连接网络标示如蓝色字体。另一颗UCC27201的两路输出则是驱动全桥的另一侧桥臂。

图2：驱动器UCC27201的实际应用

采用上述应用电路的实际驱动信号见图3，包括了软启动和正常运行等两个阶段。

在软启动阶段，标示为Q1的MOSFET的驱动信号占空比远小于50%，而Q2的驱动信号占空比则是超过了50%，与Q1的驱动信号占空比保持为互补关系。Q3和Q4驱动信号的关系同上。

在正常运行阶段，Q1~Q4的驱动信号占空比全部都接近50%。相互之间的关系如图3所示，即Q1和Q2保持互补，Q3和Q4保持互补。

图3：全桥驱动信号

2、UCC27201HO引脚的误脉冲及根因分析

实际应用中，由于不同的UCC27201的供电电压设计有差异，当其Cboot电容充电过快时，HO引脚会出现误脉冲。该误脉冲的根因是Cboot过快的上电电压耦合到了HO引脚，同时过快的上电速率导致芯片内部对HO管脚下拉的MOSFET不能及时导通，最终造成了HO引脚输出误脉冲。

2.1HO引脚的误脉冲

实际测试上述电源系统时发现，开机时UCC27201的HO引脚有误脉冲，如图4（CH1为HO；CH4为HB与HS的差分电压，亦即Cboot电容两端的电压；CH2为LO；CH3可忽略）。该误脉冲幅度最大可超过7V，与LO交叠后会造成全桥高端MOSFET和低端MOSFET的共通，进而导致系统开机存在风险。

图4：HO引脚的误脉冲

2.2HO引脚误脉冲的根因分析

图5所示的是UCC27201内部与HO相关的电路。在HB与HS之间电压正常建立后，逻辑电路会依据HI电平的高或低而打开Qa或Qb，从而实现HO高低电平的输出。Qc是当HB与HS之间电压还处于欠压阶段时，用以导通以拉低HO引脚，确保在该阶段HO无输出。

图5：HO相关的内部电路

当HB与HS间电压还处于欠压阶段时，内部电路会产生高电平驱动信号以导通Qc。但是，该高电平驱动信号的产生存在一定的延时；同时，Qc设计用来被脉冲信号触发，而非电平信号触发。上述两个因素就造成，当HB与HS间电压上升过快时Qc将不能及时导通。此时，如果HO被HB与HS间电压耦合出高电平后（其中一个耦合途径是通过Qa和Qb的结电容），因Qc还未导通，该耦合出的高电平将得以输出，最终形成了HO的误脉冲。

如果HB与HS间电压上升速率变缓，或者HB与HS间电压先得以预建立，Qc的驱动信号（图6中的蓝色线和红色线）的高电平脉冲将会变宽，这就能保证Qc导通，误脉冲就会被消除。

下文就围绕HB与HS间电压的上升斜率和预建立这两个方向来讨论，以解决HO的误脉冲问题。

图6：HB与HS电压斜率不同的影响

3、解决措施之增大Cboot电容

在相同充电速率条件下，增大Cboot电容可以将HB与HS之间的电压上升斜率变缓，以得到足够宽的高电平信号并使Qc导通。

3.1Cboot充电过程分析

如图7所示，UCC27201内部有二极管（D1）连接Pin1（VDD）和Pin2（HB）。在Pin1的外部连接有供电网络（电压为12V），电容Cd（1uF）和串联电阻Ri（10ohm）；在Pin2则接有Cboot电容。Cboot电容的充电主要是通过D1这条路径完成的。

经过仿真分析（如图8）知，Cboot的充电主要包含如下两个阶段：

●阶段一：电容Cd通过D1给Cboot充电。充电电流如图8中的红色线所示，先是急剧上升到最大，然后缓慢下降。同时，电容Cd的电压（绿色