深入解析 onsemi NCP51561：高性能隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，柵極驅(qū)動(dòng)器是驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 等功率開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵組件。onsemi 的 NCP51561 隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器憑借其出色的性能和豐富的功能，在眾多應(yīng)用中脫穎而出。本文將深入剖析 NCP51561 的特點(diǎn)、電氣特性、保護(hù)功能以及應(yīng)用注意事項(xiàng)，為電子工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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產(chǎn)品概述

NCP51561 是一款具有 4.5 - A/9 - A 源極和漏極峰值電流的隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器，專為快速開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 功率開(kāi)關(guān)而設(shè)計(jì)。它具有短且匹配的傳播延遲，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。該驅(qū)動(dòng)器提供 5 kVrms 的內(nèi)部電流隔離，輸入與每個(gè)輸出之間以及兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器之間具有內(nèi)部功能隔離，允許高達(dá) 1500 VDC 的工作電壓。此外，它還支持多種配置，如兩個(gè)低端開(kāi)關(guān)、兩個(gè)高端開(kāi)關(guān)或半橋驅(qū)動(dòng)器，并具有可編程死區(qū)時(shí)間功能。

產(chǎn)品特點(diǎn)

強(qiáng)大的輸出能力

• 具備 4.5 A 峰值源極電流和 9 A 峰值漏極電流輸出能力，能夠滿足高功率應(yīng)用的需求。

  靈活的配置選項(xiàng)

• 支持雙低端、雙高端或半橋柵極驅(qū)動(dòng)器配置，適用于各種不同的電路設(shè)計(jì)。

  獨(dú)立的 UVLO 保護(hù)

• 兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器均具有獨(dú)立的欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能，可有效防止在電源電壓過(guò)低時(shí)驅(qū)動(dòng)器誤操作。

  寬輸出電源電壓范圍

• 輸出電源電壓范圍為 6.5 V 至 30 V，針對(duì) MOSFET 和 SiC 器件分別提供 5 - V、8 - V、13 - V 和 17 - V 的 UVLO 閾值，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)器的兼容性。

  高共模瞬態(tài)抗擾度

• 共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）> 200 V/ns，能夠有效抵抗共模干擾，保證驅(qū)動(dòng)器在復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定工作。

  低傳播延遲和匹配誤差

• 典型傳播延遲為 36 ns，每通道最大延遲匹配誤差為 ±5 ns，最大脈沖寬度失真為 ±5 ns，確保了信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸和同步。

  用戶可編程功能

• 支持用戶可編程輸入邏輯、單輸入或雙輸入模式、使能或禁用模式以及可編程死區(qū)時(shí)間，滿足不同用戶的個(gè)性化需求。

  高隔離和安全性

• 提供 5 kVRMS 一分鐘的隔離（符合 UL1577 要求），輸出通道之間的峰值差分電壓為 1500 V，增強(qiáng)隔離電壓為 8000 VPK（符合 VDE0884 - 11 要求），并獲得 CQC 認(rèn)證（符合 GB4943.1 - 2011）和 SGS FIMO 認(rèn)證（符合 IEC 62386 - 1），確保了產(chǎn)品的安全性和可靠性。

電氣特性

電源部分

• 輸入側(cè)電源（VDD）：靜態(tài)電流在不同輸入條件下有所變化，工作電流在 500 KHz、50% 占空比、COUT = 100pF 時(shí)為 5.0 - 9.0 mA。VDD 電源欠壓鎖定閾值具有正、負(fù)向閾值和遲滯特性。
• 輸出側(cè)電源（VCCA 和 VCCB）：每個(gè)通道的靜態(tài)電流和工作電流也有相應(yīng)的規(guī)格，不同 UVLO 版本的 VCCA 和 VCCB 欠壓鎖定閾值不同，且具有遲滯和去抖時(shí)間。

  邏輯輸入部分

• 高、低電平輸入電壓具有明確的閾值，輸入邏輯遲滯為 0.5 V，不同版本的使能或禁用邏輯也有相應(yīng)的閾值和遲滯。

  死區(qū)時(shí)間和重疊部分

• 最小死區(qū)時(shí)間在 DT 引腳懸空時(shí)為 0 - 29 ns，死區(qū)時(shí)間可通過(guò)外部電阻 RDT 進(jìn)行調(diào)整，不同 RDT 值對(duì)應(yīng)不同的死區(qū)時(shí)間，且存在死區(qū)時(shí)間失配。當(dāng) DT 引腳拉至 VDD 時(shí)，允許輸出重疊，此時(shí)有相應(yīng)的閾值電壓。

  柵極驅(qū)動(dòng)部分

• OUTA 和 OUTB 的源極和漏極峰值電流分別為 4.5 A 和 9.0 A，高、低狀態(tài)輸出電阻和輸出電壓也有具體規(guī)格。

  動(dòng)態(tài)電氣特性

• 導(dǎo)通和關(guān)斷傳播延遲在不同電源電壓和負(fù)載條件下有相應(yīng)的典型值和范圍，脈沖寬度失真、通道間傳播延遲失配、上升和下降時(shí)間以及使能或禁用到輸出的傳播延遲等參數(shù)也都有明確的規(guī)格。此外，還規(guī)定了最小輸入脈沖寬度、ANB 引腳的毛刺濾波時(shí)間和共模瞬態(tài)抗擾度。

保護(hù)功能

欠壓鎖定保護(hù)（UVLO）

• NCP51561 為輸入側(cè)的 VDD 和輸出側(cè)的 VCCA、VCCB 提供了欠壓鎖定保護(hù)功能。當(dāng)電源電壓低于指定的欠壓鎖定閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將被鎖定，防止在低電壓下工作導(dǎo)致的不穩(wěn)定或損壞。不同 UVLO 版本的閾值不同，且具有遲滯特性，以提供對(duì)短時(shí)間電壓下降的免疫力。

  交叉導(dǎo)通保護(hù)

• 通過(guò)可編程死區(qū)時(shí)間控制功能，可有效防止高、低端開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，避免交叉導(dǎo)通現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng) DT 引腳處于不同狀態(tài)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)不同的死區(qū)時(shí)間控制模式，如禁止交叉導(dǎo)通、根據(jù)外部電阻調(diào)整死區(qū)時(shí)間或允許輸出重疊等。

應(yīng)用注意事項(xiàng)

電源供應(yīng)

• 在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，柵極的輸出電流來(lái)自 VCCA 和 VCCB 電源引腳。因此，VCCA 和 VCCB 引腳應(yīng)使用至少為柵極電容十倍、不小于 100 nF 的電容進(jìn)行旁路，并盡可能靠近器件放置，以實(shí)現(xiàn)去耦。推薦使用一個(gè) 100 nF 的陶瓷貼片電容靠近器件引腳，再并聯(lián)一個(gè)幾微法的貼片電容。

  輸入級(jí)

• NCP51561 的輸入信號(hào)引腳（INA、INB、ANB 和 ENA/DIS）基于 TTL 兼容輸入閾值邏輯，與 VDD 電源電壓無(wú)關(guān)。邏輯電平兼容輸入的高、低閾值分別為 1.6 V 和 1.1 V。為了提高噪聲免疫力，建議將未使用的輸入引腳（如 INA、INB 和 ANB）連接到 GND。對(duì)于 ENA/DIS 引腳，在使能版本中應(yīng)連接到 VDD，在禁用版本中應(yīng)連接到 GND。此外，可在輸入信號(hào)引腳添加 RC 濾波器以減少系統(tǒng)噪聲和地彈的影響，但需注意在良好的噪聲免疫力和傳播延遲之間進(jìn)行權(quán)衡。

  輸出級(jí)

• 輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)采用上拉和下拉結(jié)構(gòu)，上拉結(jié)構(gòu)由 PMOS 級(jí)組成，確保能夠拉到 VCC 軌；下拉結(jié)構(gòu)由 NMOS 器件組成。在 25°C 時(shí)，上拉和下拉開(kāi)關(guān)的輸出阻抗能夠提供約 +4.5 A 和 -9 A 的峰值電流，在 125°C 時(shí)，最小漏極和源極峰值電流分別為 -7 A 和 +2.6 A。

  驅(qū)動(dòng)電流能力考慮

• 峰值源極和漏極電流能力應(yīng)大于平均電流?？筛鶕?jù)所需的柵極電荷和開(kāi)關(guān)時(shí)間計(jì)算所需的驅(qū)動(dòng)器電流額定值，以確保驅(qū)動(dòng)器能夠滿足應(yīng)用的需求。

  柵極電阻考慮

• 柵極電阻的大小應(yīng)適當(dāng)，以減少寄生電感和電容引起的振鈴電壓，但同時(shí)也會(huì)限制柵極驅(qū)動(dòng)器輸出的電流能力。可通過(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算由開(kāi)啟和關(guān)閉柵極電阻引起的受限電流能力值。

  負(fù)偏置應(yīng)用

• 對(duì)于 SiC MOSFET 應(yīng)用，為了抑制柵極 - 源極驅(qū)動(dòng)電壓的振鈴，可在柵極驅(qū)動(dòng)上施加負(fù)偏置。文中介紹了兩種實(shí)現(xiàn)負(fù)偏置的方法：使用兩個(gè)隔離偏置電源和使用單個(gè)隔離偏置電源并搭配齊納二極管。使用齊納二極管的方法簡(jiǎn)單，但存在穩(wěn)態(tài)功耗問(wèn)題，因此在選擇 RZx 值時(shí)需謹(jǐn)慎，推薦值在幾 k 范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與 PCB 布局指南

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

• 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了使用齊納二極管在單個(gè)隔離電源上實(shí)現(xiàn)負(fù)偏置的 NCP51561 用于 SiC MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的可行性，實(shí)驗(yàn)波形顯示能夠?qū)崿F(xiàn) +15 V 和 -5.1 V 的驅(qū)動(dòng)電源。

  PCB 布局指南

• 在進(jìn)行 PCB 布局時(shí)，應(yīng)盡量縮短輸入/輸出走線，減少寄生電感和電容的影響，避免使用過(guò)孔以保持低信號(hào)路徑電感。電源旁路電容和柵極電阻應(yīng)盡可能靠近柵極驅(qū)動(dòng)器放置，柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)靠近開(kāi)關(guān)器件，以降低走線電感并避免輸出振鈴。同時(shí)，應(yīng)在高速信號(hào)層下方設(shè)置實(shí)心接地平面，在 VSSA 和 VSSB 引腳旁邊設(shè)置實(shí)心接地平面，并使用多個(gè)過(guò)孔以減少寄生電感和輸出信號(hào)的振鈴。為確保初級(jí)和次級(jí)側(cè)之間的隔離性能，應(yīng)避免在驅(qū)動(dòng)器器件下方放置任何 PCB 走線或銅箔，可采用 PCB 切口來(lái)避免可能影響隔離性能的污染。

總結(jié)

NCP51561 隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器以其強(qiáng)大的輸出能力、靈活的配置選項(xiàng)、豐富的保護(hù)功能和良好的電氣特性，為電子工程師在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中提供了一個(gè)可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇器件參數(shù)，并注意電源供應(yīng)、輸入輸出級(jí)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電流能力和柵極電阻等方面的考慮，同時(shí)遵循 PCB 布局指南，以確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能夠幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用 NCP51561 驅(qū)動(dòng)器，在實(shí)際項(xiàng)目中取得更好的效果。你在使用 NCP51561 或類似柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。