低損耗高效率高耐壓，榮湃Pai8131性能解析

半橋是由兩個(gè)功率器件(如MOSFET)以圖騰柱的形式連接，以中間點(diǎn)作為輸出，提供方波信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)在 PWM 電機(jī)控制、DC-AC逆變、電子鎮(zhèn)流器等場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用。而從應(yīng)用領(lǐng)域的角度來說，其應(yīng)用也十分廣泛，分布于AC-DC商用電源-服務(wù)器和工作站、消費(fèi)類電子、工業(yè)電機(jī)、醫(yī)療電子、家用設(shè)備等。

圖1：以MOSFET構(gòu)成的兩種半橋結(jié)構(gòu)

圖1顯示了兩種以MOSFET構(gòu)成的半橋結(jié)構(gòu)。左邊結(jié)構(gòu)上端是P溝道MOSFET，和下端N溝道MOSFET相連，公共端漏極作為輸出；右邊結(jié)構(gòu)上端是N溝道MOSFET，和下端N溝道MOSFET相連。當(dāng)然，如今很多場(chǎng)合，特別是大功率領(lǐng)域，NMOS由于其更低的導(dǎo)通電阻RDS(ON)，幾乎完全替換掉了上端的PMOS。

工作原理簡(jiǎn)介

以圖1右邊的結(jié)構(gòu)為例，高邊MOS導(dǎo)通時(shí)，低邊MOS不通。同樣地，低邊MOS導(dǎo)通時(shí)，高邊MOS不通。

高邊MOS和低邊MOS由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的輸出HO為高時(shí)，高邊MOS導(dǎo)通，OUT電壓幾乎等于HV。其電流路徑為，從HV流經(jīng)高邊MOS，最后流向外部負(fù)載，如圖2中紅色箭頭；

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的輸出LO為高時(shí)，低邊MOS導(dǎo)通，OUT電壓幾乎等于零。其電流路徑為，從負(fù)載流向低邊MOS，如圖2中藍(lán)色箭頭。

圖2：半橋結(jié)構(gòu)中不同功率管導(dǎo)通時(shí)的電流路徑

死區(qū)時(shí)間

前面提到了半橋結(jié)構(gòu)中的高低邊MOS的工作情況，高邊MOS和低邊MOS是分時(shí)導(dǎo)通的，輸出才能相應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)方波，驅(qū)動(dòng)后級(jí)負(fù)載。思考一個(gè)問題，假設(shè)在高邊MOS導(dǎo)通的時(shí)候，低邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)LO因?yàn)槟承┰颍绺蓴_或驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部其他問題等異常拉高了，此時(shí)低邊MOS也會(huì)導(dǎo)通，由于低邊MOS對(duì)地提供了一個(gè)更低阻抗的回路，電流直接從高邊MOS流向低邊MOS。這顯然會(huì)對(duì)輸出造成影響，嚴(yán)重的情況下，甚至可能造成MOS管失效，整個(gè)系統(tǒng)被徹底損壞。

因此，考慮到MOS的關(guān)斷時(shí)間和高低邊驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部反向器的延時(shí)以及失配等問題，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)器都會(huì)設(shè)置死區(qū)時(shí)間。所謂的死區(qū)時(shí)間，就是上下管不允許同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間，分別位于上管關(guān)斷到下管導(dǎo)通，下管關(guān)斷到上管導(dǎo)通。當(dāng)高邊MOS關(guān)斷后，死區(qū)功能被觸發(fā)，只有經(jīng)過死區(qū)時(shí)間DT之后，低邊MOS才允許導(dǎo)通。同樣，低邊MOS關(guān)斷后，同樣要經(jīng)過死區(qū)時(shí)間DT之后，高邊MOS才允許導(dǎo)通。

系統(tǒng)效率和EMI的考慮

半橋結(jié)構(gòu)無論是應(yīng)用于什么場(chǎng)景，半橋拓?fù)湟埠?，還是普通的DC-DC拓?fù)?，或者是其他的電機(jī)應(yīng)用，本質(zhì)上都是對(duì)能量進(jìn)行變換。這就涉及到一個(gè)轉(zhuǎn)換效率的問題。就半橋結(jié)構(gòu)而言，絕大部分的損耗，都集中在高低邊MOS的開關(guān)損耗。一般而言，開關(guān)管損耗包括兩個(gè)部分：

01

導(dǎo)通損耗

MOS管導(dǎo)通之后本身的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的損耗，其正比于MOS管的導(dǎo)通電阻RDS(ON)，降低導(dǎo)通電阻就能直接降低這一部分損耗。

02

交越損耗

MOS管導(dǎo)通過程的損耗。

實(shí)際的MOS管由于其物理結(jié)構(gòu)的原因，存在極間電容，Cgs、Cds、Cgd。這幾個(gè)電容的存在，導(dǎo)致整個(gè)MOS管的導(dǎo)通過程不能瞬間完成，實(shí)際上MOS管的導(dǎo)通過程也比較復(fù)雜，詳細(xì)的導(dǎo)通過程這里也不做介紹。如果基于簡(jiǎn)單的模型的話，MOS管的導(dǎo)通過程其實(shí)就是Cgs充電的過程，Vgs緩慢上升直到超過閾值電壓Vgs(th)，源漏開始導(dǎo)通。

圖3：開關(guān)管導(dǎo)通過程的簡(jiǎn)單模型

如圖3，源漏電流Id的上升和源漏電壓Vds的下降均有一個(gè)過程，這部分就是交越損耗。意味著，Vgs上升越慢，VDS下降就約滿，交越損耗就越大。因此，簡(jiǎn)單來說，Vgs電壓上升速率越快，交越損耗就越低。另外，交越損耗還直接受頻率的影響，頻率越高，損耗越大。

實(shí)際上，還有一部分損耗，即驅(qū)動(dòng)損耗，一般而言驅(qū)動(dòng)損耗相對(duì)約導(dǎo)通損耗和交越損耗而言可以忽略不計(jì)，這里也不作介紹。當(dāng)MOS管選定之后，其導(dǎo)通電阻也已經(jīng)固定，導(dǎo)通損耗這一部分已經(jīng)無法改變，要想提高效率，必須要從交越損耗這部分入手。提高驅(qū)動(dòng)電壓的斜率，就是最直接的辦法。

EMC/EMI

所有的開關(guān)系統(tǒng)，幾乎都面臨著電磁干擾的問題。功率開關(guān)管工作在On-Off 快速循環(huán)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，dv/dt和di/dt都在急劇變換，因此，功率開關(guān)管既是電場(chǎng)耦合的主要干擾源，也是磁場(chǎng)耦合的主要干擾源。

在電路中的電感及寄生電感中快速的電流變化產(chǎn)生磁場(chǎng)從而產(chǎn)生較高的電壓尖峰：UL=L*di/dt；在電路中的電容及寄生電容中快速的電壓變化產(chǎn)生電場(chǎng)從而產(chǎn)生較高的電流尖峰：ic=C*du/dt。磁場(chǎng)和電場(chǎng)的噪聲與變化的電壓和電流及耦合通道如寄生的電感和電容直接相關(guān)。直觀的理解，減小電壓變化率du/dt和電流變化率di/dt及減小相應(yīng)的雜散電感和電容值可以減小由于上述磁場(chǎng)和電場(chǎng)產(chǎn)生的噪聲，從而減小EMI干擾。

圖4：驅(qū)動(dòng)到柵極的等效電路

實(shí)際的PCB由于走線等因素，必然會(huì)引入寄生電感，這些寄生電感的引入導(dǎo)致原本的RC一階電路直接變?yōu)镽LC二階電路。如果為了盡可能的降低損耗而將激勵(lì)的斜率設(shè)置很高，則響應(yīng)很有可能會(huì)出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，甚至于出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，無論是上述兩種情況中的哪一種，都會(huì)帶來頭疼的EMI問題，甚至于系統(tǒng)不工作。因此，必須要在降低損耗和減小EMI二者之間做折衷處理。處理的方式就如圖4，增加驅(qū)動(dòng)電阻R，以增加阻尼系數(shù)。一般考慮設(shè)置阻尼系數(shù)為0.707，剛好處于臨界阻尼狀態(tài)。

榮湃推出基于獨(dú)創(chuàng)的iDivider技術(shù)的半橋驅(qū)動(dòng)芯片——Pai8131，很好的滿足了這些問題。為了防止高低邊MOS共通，一方面，Pai8131半橋驅(qū)動(dòng)芯片提供520ns的典型死區(qū)時(shí)間，屏蔽了上下驅(qū)動(dòng)電路的反向器失配帶來的影響；另外一方面，Pai8131提供最大100V/ns的共模瞬態(tài)耐受能力。當(dāng)HS端對(duì)COMM端存在100V/ns的共模干擾時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)依然不會(huì)出錯(cuò)，保證系統(tǒng)正常工作。

另外，Pai8131提供0.29A/0.6A的source/sink能力，在驅(qū)動(dòng)高低邊MOS時(shí)，能夠更快的讓驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到開啟閾值Vgs(th)，讓MOS能夠更快的導(dǎo)通，盡可能的降低交越損耗，提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。

圖5：Pai8131系統(tǒng)框圖

Pai8131還創(chuàng)新性地將容隔技術(shù)應(yīng)用于高邊驅(qū)動(dòng)，使用電容隔離來替代常規(guī)的level shift。在實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還提供了極高的高低邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的耐壓能力，標(biāo)稱耐壓可達(dá)-700~+700V。

其他性能參數(shù)如下：

耐受負(fù)向瞬態(tài)電壓

100 dV/dt 耐受能力

柵極驅(qū)動(dòng)器電源范圍10~20V

內(nèi)置UVLO功能

3.3V、5V、15V邏輯電平兼容

互通預(yù)防功能

兩個(gè)通道傳播延時(shí)匹配

內(nèi)部設(shè)置死區(qū)時(shí)間

Pai8131提供了常規(guī)的高性價(jià)比的NB SOIC8的小封裝，還提供一個(gè)低至400uA的靜態(tài)電流，在驅(qū)動(dòng)器不工作時(shí)，保證了極低的靜態(tài)功耗。在能源問題越來越嚴(yán)重的當(dāng)下，憑借其優(yōu)異的性能和極低的成本，成為各相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)先選擇。

審核編輯 ：李倩