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理解電源PWM及控制芯片的驅(qū)動能力

時間:2021-11-28 06:34:14 點擊:

MOSFET應用于不同的開關(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,大量的應用通常使用PWMIC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,當輸入信號為高電平時上管導通,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),由于上管導通時有導通壓降,在一定的電流下對應著一定的電阻,因此這個電阻通常稱為上拉電阻Rup。

當圖騰柱驅(qū)動器的輸入信號為低電平時下管導通,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),下管導通時有導通壓降,在一定的電流下對應著一定的電阻,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

通常控制芯片的驅(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:Source4A/Sink4A,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通壓降,其電流和導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:Source500mA/Sink800mA,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:Source500mA/Sink800mA,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,就不容易計算相應的時間以及相應的開關(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,并不滿足實際應用的條件。

建議根據(jù)實際應用過程中米勒平臺的驅(qū)動電流值,選擇或計算出相應的上拉、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,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,這樣導致上拉、下拉的電阻增加,相應的壓降也會增加。

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。

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