UCC27282相對于上一代驅(qū)動器的優(yōu)勢

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摘要

通訊應用使用基于半橋、全橋或同步降壓功率拓撲的電源模塊。這些拓撲使用高性能半橋驅(qū)動器實現(xiàn)高頻操作和高效率。半橋柵極驅(qū)動器采用的技術(shù)已在業(yè)界成功應用了數(shù)十年，UCC27282 120-V 2.5A/3.5A半橋驅(qū)動器是最新發(fā)展成果。

結(jié)合新功能與改進的工作范圍，UCC27282具有全新水平的性能表現(xiàn)，以提高電源模塊的穩(wěn)健性，并在優(yōu)化功率級設(shè)計方面提供更大的靈活性。

本應用指南將概述UCC27282相對于上一代驅(qū)動器的優(yōu)勢，優(yōu)化設(shè)計并增強穩(wěn)健性。

前言

隨著對給定尺寸，甚至縮小尺寸內(nèi)更高處理能力的需求，電信和數(shù)據(jù)通信設(shè)備性能也在不斷增加。增加的設(shè)備性能導致電源需求增加。必須從空間利用率和效率角度優(yōu)化這些系統(tǒng)中的電源。電信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的復雜性也在增加，這使得它們更容易受到噪聲和瞬態(tài)的影響。數(shù)據(jù)中心的功耗越來越受到關(guān)注。出于這個原因，重點在于提高效率，同時降低未被主動使用的設(shè)備的待機或空閑功耗。大多數(shù)數(shù)據(jù)通信和電信電源模塊都具有使能功能，可降低輸入待機功耗。

UCC27282 120V半橋驅(qū)動器的新特性

UCC27282 120V半橋驅(qū)動器具有多項新特性和參數(shù)改進，有助于實現(xiàn)更高水平的電源模塊性能和穩(wěn)健性。EN引腳上的低電平信號可禁用驅(qū)動器，將UCC27282設(shè)置為非常低的IDD電流狀態(tài)。當禁用電源模塊時，這種非常低的電流將有助于實現(xiàn)非常低的輸入待機功耗。UCC27282 VDD工作范圍已擴展至5.5V至16V。這可以使設(shè)計人員優(yōu)化VDD工作電壓，以實現(xiàn)更低的柵極驅(qū)動損耗。UCC27282包括輸入互鎖功能，防止在LI和HI輸入同時為高電平時，兩個柵極驅(qū)動器輸出也同時處于高電平狀態(tài)。

UCC27282擴展的VDD工作范圍

柵極驅(qū)動損耗和傳導損耗

大多數(shù)48V VIN電信和數(shù)據(jù)通信電源模塊設(shè)計的柵極驅(qū)動器VDD電壓在9V至10V范圍內(nèi)，使用100V半橋驅(qū)動器驅(qū)動100V VDS額定功率MOSFET。隨著VGS驅(qū)動電壓的降低，柵極驅(qū)動損耗降低，許多MOSFET器件的RDS（on）與VGS曲線顯示出8V至10V VGS以上的RDS（on）幾乎沒有降低。選擇驅(qū)動器VDD的一項考慮因素是開啟UVLO閾值，以及包括偏置電壓上的負電壓瞬變的一些裕度。對于上一代驅(qū)動器，這可能導致選擇驅(qū)動器VDD高于最佳柵極驅(qū)動和傳導損耗工作點。

CSD19531 100V 5.3mΩ MOSFET Qg 與VGS曲線如圖1所示，RDS（on）與VGS曲線如圖2所示。雖然該MOSFET的RDS（on）規(guī)格為VDS = 6V，但可以看到RDS（on）曲線在6V時仍然具有明顯的下降。在VGS = 8V時，曲線變得更平坦。圖1顯示了隨VGS增加的柵極電荷，正如預期，其斜率變化接近閾值電壓。

柵極驅(qū)動損耗取決于VDD、開關(guān)頻率（FSW）和MOSFET Qg，如下面的等式1所示。

具體的最佳柵極驅(qū)動幅度取決于電源傳動系統(tǒng)的工作條件，包括開關(guān)頻率和MOSFET RMS電流。此外，關(guān)于Qg與VGS曲線以及RDS（on）與VGS曲線的功率MOSFET的特性非常重要。有關(guān)優(yōu)化損耗的指導，請參考TI應用指南“通過調(diào)整柵極驅(qū)動幅度優(yōu)化MOSFET特性”。

為了說明總功率系、柵極驅(qū)動損耗和組合損耗，圖3中所示的同步降壓轉(zhuǎn)換器在以下條件下進行了測試：VIN=48V，F(xiàn)sw=200kHz, IOUT=4A(DC), LI/HI死區(qū)時間=50ns。

圖3.UCC27282同步降壓測試電路

輸出功率為96W的同步降壓測試電路數(shù)據(jù)如下圖4所示?？梢钥吹綎艠O驅(qū)動器功耗隨著VDD的增加而增加。功率轉(zhuǎn)換器損耗在6V和7V VDD時更高，并且在8V VDD和更高電壓下相對穩(wěn)定。結(jié)合的柵極驅(qū)動和功率轉(zhuǎn)換器損耗在8V VDD時最小。該MOSFET不是邏輯電平FET，邏輯電平MOSFET的最佳柵極驅(qū)動電壓可能會更低。

圖4.同步降壓柵極驅(qū)動、功率轉(zhuǎn)換器和總功耗

VDD范圍內(nèi)的柵極驅(qū)動強度

之前的測試數(shù)據(jù)討論涵蓋了柵極驅(qū)動損耗和導通損耗與驅(qū)動器VDD工作點之間的權(quán)衡。柵極驅(qū)動器在VDD工作范圍內(nèi)的另一個重要方面是保持足夠的驅(qū)動強度，尤其是在較低的VDD時。在12V VDD，UCC27282柵極驅(qū)動器具有2.5A拉電流和3.5A灌電流的足夠驅(qū)動強度，這是大多數(shù)100V半橋柵極驅(qū)動器規(guī)定的工作電壓。雖然柵極驅(qū)動強度受UCC27282上VDD電壓水平的影響，但類似的競爭產(chǎn)品的柵極驅(qū)動強度在較低的VDD水平時明顯更低，如圖5和圖6所示。

在較低VDD下降低的驅(qū)動強度導致VGS上升和下降時間增加，這將增加開關(guān)損耗。使用與圖3所示相同的測試電路和相同的工作條件，將競爭產(chǎn)品的柵極驅(qū)動器測試數(shù)據(jù)與在相同條件下工作的UCC27282進行比較。圖7比較了UCC27282和競爭產(chǎn)品器件之間包括柵極驅(qū)動器和功率轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的所有損耗的效率。與競爭產(chǎn)品器件相比，可以看到在6V至10V的VDD范圍內(nèi)，UCC27282柵極驅(qū)動器轉(zhuǎn)換器效率明顯改善。

圖7.UCC27282和競爭產(chǎn)品同步降壓效率與VDD

UCC27282使能功能

當EN引腳低于1.21V的典型下降閾值時，UCC27282的使能功能將IC設(shè)置為非常低的IDD電流狀態(tài)并禁用驅(qū)動器的LO和HO輸出。當處于禁用狀態(tài)時，UCC27282的ISD在VDD = 12V時典型值為7uA。當處于非開關(guān)狀態(tài)時，這比典型的上一代驅(qū)動器低得多，如下面的圖8所示。圖8比較了處于使能狀態(tài)非開關(guān)條件和禁用條件的UCC27282 IDD與處于非開關(guān)條件的UCC27201A驅(qū)動器。UCC27201A的非開關(guān)電流是許多早期100V半橋驅(qū)動器的典型值。UCC27201A UVLO通常為7.1V，因此IC不會在此UVLO上升閾值以下工作。該UVLO上升閾值也是許多早期100V驅(qū)動器的典型值?？梢钥吹経CC27282禁用電流ISD遠低于UCC27201A的IQ。在VDD = 8V時，UCC27201A IQ為297uA，UCC27282 ISD為4.1uA，待機功耗為~2.4mW，而UCC27282為~33uW。在VDD = 10V時，UCC27201A IQ為389uA，而UCC27282 ISD為5.54uA，待機功耗為3.89mW和55.4uW。有關(guān)待機功耗和電流比較的詳細信息，參見表1。

如果最終應用需要多個驅(qū)動器，則待機功耗的差異與所需驅(qū)動器的數(shù)量有關(guān)。再加上精心設(shè)計的監(jiān)控和偏置電路以及選擇控制器IC，UCC27282可以幫助實現(xiàn)極低的待機功耗。

UCC27282輸入互鎖功能

UCC27282驅(qū)動器包含輸入互鎖功能，可防止LO和HO輸出同時處于高電平狀態(tài)。包括同步降壓、半橋、全橋和全橋同步整流在內(nèi)的許多拓撲結(jié)構(gòu)都不能容忍高側(cè)和低側(cè)MOSFET同時導通，否則可能會發(fā)生交叉導通，可能導致?lián)p壞。有許多事件可能導致電壓尖峰或振鈴超出正常觀測的特性，包括短路或靜電釋放或EFT（電快速瞬變）事件的瞬態(tài)等故障情況。這些異常情況可能導致對柵極驅(qū)動器輸入信號等關(guān)鍵控制信號的干擾。UCC27282在LO和HO輸出上升沿和下降沿之間沒有強制死區(qū)時間，因此控制器仍然可以確定時序，以實現(xiàn)精確的死區(qū)時間控制。下面的圖9說明了LO和HO輸出都處于低電平狀態(tài)，對應于LI和HI輸入上的20ns重疊。

總結(jié)

UCC27282柵極驅(qū)動器具有多種功能，有助于在通信和數(shù)據(jù)通信模塊中實現(xiàn)更高水平的性能和穩(wěn)健性。

利用UCC27282，VGS柵極驅(qū)動電壓工作范圍可以擴展到更低的水平以實現(xiàn)最佳工作參數(shù)，實現(xiàn)最高效率。不同于上一代驅(qū)動器，如果最佳工作點為8V或9V VDD范圍，UCC27282驅(qū)動器將具有更大的偏置電壓瞬變或壓降裕度，而不會觸發(fā)UVLO關(guān)斷。

與競爭產(chǎn)品器件相比，UCC27282在較低的VDD范圍內(nèi)工作時可以保持足夠的柵極驅(qū)動強度。這可以獲得功率轉(zhuǎn)換器效率的顯著提升。

使能功能可將電源轉(zhuǎn)換器中每個驅(qū)動器的待機電流降低300uA至450uA。這有助于實現(xiàn)非常低的待機功耗，這可成為終端設(shè)備的特征優(yōu)勢。

由于輸入互鎖功能，使用UCC27282柵極驅(qū)動器的功率轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)健性將得到改善。對于柵極驅(qū)動器因輸入信號電壓尖峰或噪聲的誤觸發(fā)，功率MOSFET功率級將不會有明顯的交叉?zhèn)鲗А?/p>

審核編輯：何安