LM2104：高效半橋驅(qū)動(dòng)芯片的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，一款性能出色的半橋驅(qū)動(dòng)芯片往往能起到事半功倍的效果。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（TI）推出的LM2104，這是一款107 - V、0.5 - A、0.8 - A的半橋驅(qū)動(dòng)芯片，具備8 - V欠壓鎖定（UVLO）、死區(qū)時(shí)間和關(guān)斷引腳等特性。

文件下載：lm2104.pdf

1. 芯片特性亮點(diǎn)

1.1 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)

LM2104能夠驅(qū)動(dòng)半橋配置中的兩個(gè)N溝道MOSFET，其8 - V典型欠壓鎖定（UVLO）功能可確保在電源電壓不足時(shí)，芯片不會(huì)誤操作，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。BST引腳的絕對(duì)最大電壓可達(dá)107 - V，SH引腳具備 - 19.5 - V的絕對(duì)最大負(fù)瞬態(tài)電壓處理能力，這使得芯片能夠適應(yīng)一些高壓和瞬態(tài)電壓變化較大的應(yīng)用場(chǎng)景。

1.2 高速開(kāi)關(guān)特性

芯片擁有0.5 - A/0.8 - A的峰值源/灌電流，能夠快速地對(duì)MOSFET進(jìn)行充電和放電，實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)。典型的固定內(nèi)部死區(qū)時(shí)間為475 - ns，內(nèi)置的交叉導(dǎo)通防止功能進(jìn)一步保證了上下管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，避免了短路問(wèn)題。同時(shí)，115 - ns的典型傳播延遲使得芯片能夠快速響應(yīng)輸入信號(hào)的變化。

1.3 靈活的控制引腳

芯片設(shè)有關(guān)斷邏輯輸入引腳SD和單輸入引腳IN。SD引腳可以讓控制器在需要時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)輸出，而單輸入引腳IN則使得芯片能夠適用于單PWM輸入的應(yīng)用場(chǎng)景，簡(jiǎn)化了控制電路的設(shè)計(jì)。

2. 廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

LM2104的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域：

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)、永磁同步電機(jī)（PMSM）、伺服和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，LM2104能夠?yàn)殡姍C(jī)的高效運(yùn)行提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，確保電機(jī)的精確控制。

2.2 便攜式設(shè)備

在無(wú)線吸塵器、無(wú)線園林和電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車和電動(dòng)滑板車等便攜式設(shè)備中，LM2104的高效驅(qū)動(dòng)能力和低功耗特性能夠滿足設(shè)備對(duì)電池續(xù)航和性能的要求。

2.3 電源相關(guān)應(yīng)用

在電池測(cè)試設(shè)備、離線不間斷電源（UPS）以及通用MOSFET或IGBT驅(qū)動(dòng)等電源相關(guān)應(yīng)用中，LM2104能夠提供可靠的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3. 芯片詳細(xì)描述

3.1 工作原理

LM2104是一款緊湊的高壓柵極驅(qū)動(dòng)器，可在同步降壓或半橋配置中驅(qū)動(dòng)高端和低端N溝道MOSFET。通過(guò)IN引腳提供的單PWM信號(hào)和SD引腳的關(guān)斷信號(hào)，芯片能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)兩個(gè)輸出的控制。芯片的浮動(dòng)高端驅(qū)動(dòng)器能夠在推薦的BST電壓高達(dá)105 - V的情況下正常工作，其穩(wěn)健的電平轉(zhuǎn)換器能夠在高速運(yùn)行的同時(shí)消耗低功率，并提供從控制邏輯到高端柵極驅(qū)動(dòng)器的清晰電平轉(zhuǎn)換。

3.2 引腳功能

4. 芯片規(guī)格參數(shù)

4.1 絕對(duì)最大額定值

了解芯片的絕對(duì)最大額定值對(duì)于確保芯片的安全使用至關(guān)重要。例如，GVDD引腳的絕對(duì)最大電壓為19.5 - V，BST到SH的絕對(duì)最大電壓也為19.5 - V。超出這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致芯片永久性損壞，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須嚴(yán)格遵守這些參數(shù)。

4.2 ESD額定值

芯片的人體模型（HBM）ESD額定值為±1000 - V，充電器件模型（CDM）ESD額定值為±250 - V。這意味著在處理芯片時(shí)，必須采取適當(dāng)?shù)撵o電防護(hù)措施，以避免芯片因靜電放電而損壞。

4.3 推薦工作條件

在推薦的工作條件下，芯片能夠發(fā)揮最佳性能。例如，推薦的GVDD電源電壓范圍為9 - 18 - V，工作結(jié)溫范圍為 - 40 - 125°C。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)盡量使芯片的工作條件接近這些推薦值。

4.4 熱信息

芯片的熱信息包括結(jié)到環(huán)境的熱阻（RθJA）、結(jié)到外殼（頂部）的熱阻（RθJC(top)）和結(jié)到電路板的熱阻（RθJB）等。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估芯片的散熱情況和設(shè)計(jì)散熱方案非常重要。例如，D（SOIC）封裝的LM2104 8引腳芯片的RθJA為133.2°C/W，這意味著在芯片功耗較大時(shí)，需要采取有效的散熱措施來(lái)保證芯片的正常工作。

5. 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

5.1 應(yīng)用信息

在功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，使用強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)器可以提高開(kāi)關(guān)頻率，減少開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，當(dāng)PWM控制器無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件的柵極時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)器就變得不可或缺。LM2104能夠有效地結(jié)合電平轉(zhuǎn)換和緩沖驅(qū)動(dòng)功能，減少高頻開(kāi)關(guān)噪聲的影響，并將柵極電荷功率損耗轉(zhuǎn)移到驅(qū)動(dòng)器中，降低控制器的功耗和熱應(yīng)力。

5.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

5.2.1 選擇自舉和GVDD電容

自舉電容的選擇需要確保在正常工作時(shí)，V BST - SH電壓高于UVLO閾值。首先，計(jì)算自舉電容上的最大允許壓降，然后估算每個(gè)開(kāi)關(guān)周期所需的總電荷，最后根據(jù)這些參數(shù)估算自舉電容的最小值。在實(shí)際應(yīng)用中，自舉電容的值應(yīng)大于計(jì)算值，以應(yīng)對(duì)負(fù)載瞬變等情況。同時(shí)，GVDD引腳需要使用低ESR、陶瓷表面貼裝電容進(jìn)行旁路，推薦使用兩個(gè)電容，一個(gè)用于高頻濾波，另一個(gè)用于IC偏置要求。

5.2.2 選擇外部柵極驅(qū)動(dòng)器電阻

外部柵極驅(qū)動(dòng)器電阻的大小需要根據(jù)芯片的輸出電流和MOSFET的特性來(lái)確定。其作用是減少寄生電感和電容引起的振鈴，并限制從柵極驅(qū)動(dòng)器流出的電流。通過(guò)計(jì)算GH和GL的峰值上拉和下拉電流，可以確定合適的外部柵極電阻值。在某些需要快速關(guān)斷的應(yīng)用中，可以使用反并聯(lián)二極管來(lái)繞過(guò)外部柵極電阻，加快關(guān)斷過(guò)渡。

5.2.3 估算驅(qū)動(dòng)器功率損耗

驅(qū)動(dòng)器的總功率損耗可以通過(guò)靜態(tài)功率損耗、電平轉(zhuǎn)換器損耗、動(dòng)態(tài)損耗和電平轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)損耗等多個(gè)方面來(lái)估算。通過(guò)合理設(shè)計(jì)電路參數(shù)，可以降低驅(qū)動(dòng)器的功率損耗，提高系統(tǒng)的效率。同時(shí)，還需要根據(jù)芯片的熱阻和環(huán)境溫度來(lái)估算芯片的最大允許功率損耗，以確保芯片在安全的溫度范圍內(nèi)工作。

6. 電源供應(yīng)和布局建議

6.1 電源供應(yīng)建議

LM2104的推薦偏置電源電壓范圍為9 - 18 - V，這是由芯片的內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能和GVDD引腳的最大推薦電壓決定的。為了避免瞬態(tài)電壓尖峰對(duì)芯片造成損壞，GVDD引腳的電壓應(yīng)低于最大推薦電壓。同時(shí)，UVLO保護(hù)功能的滯后特性要求在電源電壓下降時(shí)，只要電壓降不超過(guò)滯后規(guī)格，芯片仍能正常工作。因此，在9 - V附近工作時(shí)，輔助電源輸出的電壓紋波必須小于LM2104的滯后規(guī)格。

6.2 布局建議

在電路板布局時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 低ESR和低ESL電容必須靠近芯片連接在GVDD和GND引腳之間以及BST和SH引腳之間，以支持外部MOSFET導(dǎo)通時(shí)從GVDD和BST汲取的高峰值電流。
• 為了防止頂部MOSFET漏極出現(xiàn)大的電壓瞬變，需要在MOSFET漏極和地之間連接低ESR電解電容和優(yōu)質(zhì)陶瓷電容。
• 為了避免開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（SH）引腳出現(xiàn)大的負(fù)瞬變，需要盡量減小頂部MOSFET源極和底部MOSFET（同步整流器）漏極之間的寄生電感。
• 接地設(shè)計(jì)需要將充電和放電MOSFET柵極的高峰值電流限制在最小的物理區(qū)域內(nèi)，以減少環(huán)路電感和柵極終端的噪聲問(wèn)題。同時(shí)，需要盡量減小包括自舉電容、自舉二極管、本地接地參考旁路電容和低端MOSFET體二極管在內(nèi)的高電流路徑的長(zhǎng)度和面積，以確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

7. 總結(jié)

LM2104是一款性能出色的半橋驅(qū)動(dòng)芯片，具有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力、高速開(kāi)關(guān)特性和靈活的控制引腳。在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，它都能夠?yàn)?a target="_blank">工程師提供可靠的解決方案。通過(guò)深入了解芯片的特性、規(guī)格參數(shù)和應(yīng)用設(shè)計(jì)方法，工程師可以更好地利用這款芯片，設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的電子系統(tǒng)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要注意電源供應(yīng)和電路板布局等方面的問(wèn)題，以確保芯片能夠發(fā)揮最佳性能。你在使用類似芯片時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。