PWM控制芯片的驅(qū)動能力及工作可靠性

MOSFET應(yīng)用于不同的開關(guān)電源以及電力電子系統(tǒng)，除了部分的應(yīng)用使用專門的驅(qū)動芯片、光耦驅(qū)動器或變壓器驅(qū)動器，大量的應(yīng)用通常使用PWM IC或其它控制芯片直接驅(qū)動。在論述功率MOSFET的開關(guān)損耗之前，先討論一下控制芯片的驅(qū)動能力，因為控制芯片的驅(qū)動能力直接影響功率MOSFET的開關(guān)特性，開關(guān)損耗以及工作的可靠性。

1、控制芯片內(nèi)部Totem圖騰柱驅(qū)動器

在PWM控制芯片及其它電源控制器的內(nèi)部，集成了用于驅(qū)動功率MOSFET的Totem圖騰柱驅(qū)動器，最簡單的圖騰柱驅(qū)動器如圖1所示，由一個NPN三極管和一個PNP三極管對管組成，有時候也會用一個N溝道MOSFET的一個P溝道MOSFET對管組成，工作原理相同。

（a） 圖騰柱驅(qū)動器

（b） 圖騰柱的等效電路

圖1： 圖騰柱驅(qū)動器及等效電路

圖1（a）的圖騰柱驅(qū)動器，當(dāng)輸入信號為高電平時上管導(dǎo)通，其輸出為高電平，上管通過電源提供輸出電流，通常稱為Source電流（源電流），由于上管導(dǎo)通時有導(dǎo)通壓降，在一定的電流下對應(yīng)著一定的電阻，因此這個電阻通常稱為上拉電阻Rup。

當(dāng)圖騰柱驅(qū)動器的輸入信號為低電平時下管導(dǎo)通，將MOSFET的G極（柵極）拉到低電位，此時下管灌入電流，通常稱為Sink電流（灌電流），下管導(dǎo)通時有導(dǎo)通壓降，在一定的電流下對應(yīng)著一定的電阻，因此這個電阻通常稱為下拉電阻Rdown。

等效的簡化電路如圖1（b）所示，包括一個上拉電阻Rup和一個下拉電阻Rdown。在實際的應(yīng)用中，不同的控制芯片內(nèi)部圖騰柱驅(qū)動器可能采用不同的形式，如圖2所示。UC3842采用二個NPN三極管組成，L6561采用一個NPN三極管和一個N溝道的MOSFET組成。

（a） UC3842圖騰柱驅(qū)動器

（b） L6561圖騰柱驅(qū)動器

圖2：控制芯片圖騰柱驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

2、控制芯片圖騰柱驅(qū)動能力

通?？刂菩酒尿?qū)動能力用源電流或灌電流的大小來表示，那么在這里先提出一個問題：表征驅(qū)動能力的源電流或灌電流，到底是連續(xù)電流還是脈沖電流？

Intersil的驅(qū)動器EL7104

EL7104的數(shù)據(jù)表中標稱的驅(qū)動能力為：Source 4A/Sink 4A，給出了在100mA測試條件下驅(qū)動器的上拉、下拉的電阻值（典型值和最大值），同時也給出了最小的連續(xù)驅(qū)動電流值200mA，因此可以得出：4A的驅(qū)動電流能力應(yīng)該為脈沖電流值。后面的峰值電流和電源電壓的關(guān)系圖也說明了這一點。

EL7104的數(shù)據(jù)表容性負載的驅(qū)動特性：延時參數(shù)

IR的驅(qū)動器IR2110

IR2110數(shù)據(jù)表中的驅(qū)動能力：源電流和灌電流都為2A，測試條件為：Vo=15V，脈沖寬度《10us，后面還給出了驅(qū)動電流隨溫度、驅(qū)動電壓的變化曲線，但是沒有內(nèi)部壓降隨驅(qū)動電流變化的數(shù)據(jù)。

TI的PWM控制器UC3842

UC3842分別給出了在20mA、200mA測試條件下驅(qū)動器的上拉、下拉的電阻上的壓降，有典型值和最小值或最大值。后面的圖表列出了在脈沖電流和連續(xù)電流條件下，輸出電流和壓降的關(guān)系，數(shù)據(jù)最全。

凌利爾特PWM控制器LTC3850/LT1619

LTC3850電流模式雙路PWM控制器，給了驅(qū)動器的上拉、下拉的電阻值（典型值），沒有列出測試的條件。

LT1619電流模式PWM控制器，分別給出了在20mA、200mA測試條件下驅(qū)動器的上拉、下拉的電阻上的壓降，有典型值和最小值或最大值。

測試電流有20mA時，VRup=0.35V，Rup=17.5Ohm；VRdown=0.1V，Rdown =5Ohm。

測試電流有200mA時，VRup=1.2V，Rup=6Ohm；VRdown=0.5V，Rdown =2.5Ohm。

從計算的結(jié)果可以得到：測試的電流越大，壓降也越大，但壓降和電流并不是線性的關(guān)系，這也容易理解：因為上拉和下拉電阻是等效的驅(qū)動器上管和下管的導(dǎo)通壓降，其電流和導(dǎo)通壓降并不是線性關(guān)系。

安森美PFC控制器NCP1602/ NCP1608

NCP1602的驅(qū)動器，數(shù)據(jù)表中的驅(qū)動特性為：Source 500mA/Sink 800mA，測試的條件為200mA。

NCP1608的驅(qū)動器，數(shù)據(jù)表中的驅(qū)動特性為：Source 500mA/Sink 800mA，測試的條件為100mA。

二個芯片的測試條件不同，那么，NCP1608和NCP1602，哪一個的驅(qū)動能力更強呢？

3、理解控制的驅(qū)動能力

雖然許多驅(qū)動器給出了一定的容性負載條件下的上升、下降延時時間，在實際的應(yīng)用中，MOSFET具有內(nèi)部的柵極電阻或外部串聯(lián)柵極電阻，同時MSOFET在開關(guān)過程中不完全是一個理想的電容，會經(jīng)過米勒平臺區(qū)域，因此，實際的延時時間將會產(chǎn)生非常大的差異，數(shù)據(jù)表中的延時值只具有相當(dāng)有限的參考意義。

功率MOSFET在開關(guān)過程中，在米勒平臺線性區(qū)，由于VGS保持不變，相當(dāng)于使用恒流源進行驅(qū)動，其它的時間段，使用恒壓源進行驅(qū)動。VGS電壓變化時，和時間成指數(shù)關(guān)系改變。

在VGS電壓和時間成指數(shù)關(guān)系變化的時間段，控制芯片驅(qū)動器的電流并不是恒流源，那么對應(yīng)的上拉、下拉電阻也隨著電流的變化而變化，上拉、下拉電阻不固定，就不容易計算相應(yīng)的時間以及相應(yīng)的開關(guān)損耗。很多文獻使用數(shù)據(jù)表中推薦的上拉、下拉電阻的典型值來計算開關(guān)損耗，從上面的分析過程可以知道：不同的芯片、不同的公司，所用的測試條件并不相同，使用數(shù)據(jù)表中推薦的上拉、下拉電阻的典型值，并不滿足實際應(yīng)用的條件。

建議根據(jù)實際應(yīng)用過程中米勒平臺的驅(qū)動電流值，選擇或計算出相應(yīng)的上拉、下拉電阻值作為計算開關(guān)損耗的基準，使用典型值。因為在開關(guān)過程中米勒平臺的時間占主導(dǎo)，使用這個基準所產(chǎn)生的誤差并不大。然后再用比例系數(shù)校核在最大的上拉、下拉電阻值時最大的開關(guān)損耗，這樣就可以知道開關(guān)損耗波動的范圍，從而保證系統(tǒng)的效率和MOSFET的溫升在設(shè)計要求的規(guī)范內(nèi)。

許多公司新一代的芯片有時候并沒有標出上述驅(qū)動器的參數(shù)，這是因為相比于上一代，為了降低成本，必須降低器件的硅片的面積。在PWM及電源控制器中，相關(guān)的數(shù)字邏輯、基準運放所占的硅片的面積為必須功能，流過它們的電流也比較小，因此減小硅片面積的空間不大。內(nèi)部的圖騰驅(qū)動器由于流過較大電流，要占用較大的硅片面積，這一部分對芯片的功能影響不明顯，因此降低成本最直接的方法就是減小內(nèi)部圖騰驅(qū)動器的硅片面積，也就是降低驅(qū)動能力，這樣導(dǎo)致上拉、下拉的電阻增加，相應(yīng)的壓降也會增加。

因此對于沒有標出內(nèi)部驅(qū)動器的驅(qū)動參數(shù)的芯片，使用時要根據(jù)外面驅(qū)動的功率MOSFET的特性校核開關(guān)過程，要特別小心，必要的時候，使用對管組成外部的圖騰驅(qū)動器，以增強驅(qū)動的能力。