高速低端MOSFET驅動器FAN3XXX系列產(chǎn)品的特點與典型應用電路分析

FAN3XXX系列是飛兆公司（FAIRCHILD）2007年10月推出的新產(chǎn)品，是一種高速低端MOSFET驅動器系列。該系列各種驅動器與PWM控制器及功率MOSFET組合可設計出各種高頻、大功率開關電源。根據(jù)驅動器的通道數(shù)、輸出電流大小，有不同的封裝及型號，可滿足各種開關電源的大小結構及不同輸出功率的需要，如表1所示。

表1 FAN3XXX型號列表

主要特點

FAN3XXX系列主要特點：

1 速度高

FAN3XXX在2.2nF負載時，輸入90%到輸出10%的時間小于35nS。在傳播延遲上比很多競爭者要快。

2、 兩通道間緊密匹配

FAN3224在4.7nF負載時，在兩通道間的差別測量值小于0.5nS（典型值）。兩通道并聯(lián)時有極好的性能。

3、 輸入結構

FAN3XXX系列有單輸入驅動器及雙輸入驅動器，應用十分靈活。單輸入結構如圖1所示。例如FAN322X雙驅動器，每一通道都有使能端（EN），另一輸入端輸入反相或同相邏輯。

圖1 單輸入結構

雙輸入結構如圖2所示。同相工作時將IN-端接L，使用IN+輸入；反相工作時將IN+接H，使用IN-輸入。其真值表如表2所示。

圖2 雙輸入結構

FAN3100用作同相驅動器時接法如圖3所示，其輸入及輸出波形如圖4所示。從圖中可看出：在VDD低于欠壓鎖存（UVL0）閾值時，無輸出，只有VDD大于欠壓鎖存閾值電壓時才有輸出。

圖3 FAN3100做同相驅動器的接法

圖4 FAN3100做同相驅動器的輸入/輸出波形

FAN3100用作反相驅動器時接法如圖5所示，其輸入及輸出波形如圖6所示。

4、 CMOS或TTL邏輯電壓兼容

FAN3XXX系列的各型號的輸入信號是CMOS或TTL邏輯電壓兼容，使設計更容易。在TTL電壓輸入時，其高電壓≥2.0V；低電壓≤0.8V。CMOS輸入閾值與VDD有關，高電壓≈0.6VDD；低電壓≈0.4VDD。

5 、封裝尺寸小

在業(yè)界中FAN3XXX系列封裝尺寸是最小的。2A驅動器采用2mm×2mm的MLP-6封裝；4A驅動器采用3mm×3mm的MLP-8封裝。另外，它也有SOLC及SOT標準封裝。各種封裝的尺寸如圖7所示。

圖7 FAN3XXX的封裝

6、 工作電壓范圍寬，其VDD極限值為20V。

典型應用電路

FAN3XXX系列MOSFET驅動器與PWM控制器及功率MOSFET可以組成各種不同結構的開關電源。圖8是一種采用2個FAN3100 MOSFET驅動器（IC1、IC2）及3個功率MOSFET（Q1～Q3）組成的隔離式DC/DC轉換器電路（圖中未畫出PWM控制器，僅畫出PWM控制器輸出的PWM信號）。

在圖8中，IC1的IN-接地組成同相驅動電路，輸出的PWM信號經(jīng)驅動器后驅動開關器Q1，Q1的負載是高頻變壓器T1的原邊線圈，高頻變壓器副邊得電。PWM控制器輸出的PWM信號同時輸入到高頻變壓器T2，經(jīng)T2隔離后的PWM信號加到IC2的IN-端（IC2的IN+接地，組成反相驅動器），驅動器IC2的輸出去控制變壓器副邊的MOSFET Q3（Q3作同步整流器）。

在T1副邊上+下-時，Q2導通、Q3截止，電壓經(jīng)電感L1、COUT及負載供電，經(jīng)Q2形成回路。在T1副邊上-下+時，Q2截止，IC2輸出的高電壓使Q3導通。L1儲存的能量向負載釋放，經(jīng)Q3形成回路，其工作狀態(tài)如圖9所示。這種同步整流的結構具有較高的轉換效率。

圖8僅畫出驅動開關器Q1及驅動同步整流器Q3的部分電路。要輸出電壓穩(wěn)定還需要將輸出電壓經(jīng)光電耦合器隔離反饋到PWM控制器，改變輸出脈沖寬度來調節(jié)輸出電壓，這部分電路未在圖8中畫出。

驅動器電流參數(shù)的選擇

FAN3XXX系列低端MOSFET驅動器IC使用較方便、電路簡單，在開關電源設計時主要是選擇其電流參數(shù)。這里先介紹一下為什么MOSFET在工作時需要這樣大的電流？

MOSFET是一種柵極電壓控制漏極電流的器件，在低端MOSFET中以地為基準，其漏極電流ID由柵極電壓VG大小來決定（或VGS大小來決定）。VGS越大，則ID越大，如圖10C所示。這好像與電流沒有關系。但在柵極電壓建立的過程中，由于在柵極與源極之間存在極間電容CGS（如圖10a所示），驅動器需要提供電流向CGS充電，充電電流為IGS（如圖10b所示）。當要求MOSFET導通時間很快，則要求充電電流很大。同樣，在MOSFET要求很快關斷時，CGS上的電荷要很快通過驅動器放掉，也會形成很大的放電電流。CGS的容量越大、要求MOSFET的開關速度越高，則在導通及關斷過程中的充、放電流越大，這種充放電電流可達幾A。

在功率MOSFET選定后，在數(shù)據(jù)資料（data sheet）中可找到總的柵極電荷QG值，按QG=CGS×VDD，求出CGS值。為滿足電源的高頻開關要求，盡可能選擇QG小的MOSFET，不僅可滿足高頻開關要求，并且使驅動器功耗也較小。CGS值與MOSFET的輸出漏極電流ID大小及其耐壓大小有關，一般為幾十nC到一百多nC。

表3給出各種不同QG條件時，在不同驅動器電流時的開關時間。設計者可參照表3選擇電流參數(shù)。

在開關電源設計時，最大的開關頻率是確定的，則開關時間也確定。其次根據(jù)選定的開關器，確定其QG，則利用表3可確定需要多大電流的驅動器。

驅動器的電流參數(shù)也可用近似的計算方法來計算，其計算公式如下：

開關導通時（輸出源電流），IDVR，SRC≥1.5（QG/tsw-on） （1）

開關關斷時（輸入沉電流），IDVR，SNK≥1.5（QG/tsw-off） （2）

式中，IDVR，SRC及IDVR，SNK是驅動器輸出源電流或輸入沉電流的電流中間值；QG是MOSFET的總柵極電荷（可從MOSFET資料中查到），1.5是實驗測定的系數(shù)。

驅動器的功耗PDRIVE

驅動器的總功耗為每個驅動器功耗之和，每通道的功耗為：

PDRIVE=VDD×QG×fsw （3）

式中，VDD為驅動器的工作電壓，QG為MOSFET的總柵極電荷，fSW為開關頻率。

按上式計算出的功耗應小于該驅動器最大允許的功耗。