深入解析 onsemi FAD3224 高速低側(cè)雙 4A 柵極驅(qū)動器

在電子設(shè)計領(lǐng)域，柵極驅(qū)動器是驅(qū)動 MOSFET 等功率器件的關(guān)鍵組件，它的性能直接影響著整個功率電路的效率和穩(wěn)定性。今天，我們就來深入了解一下 onsemi 推出的 FAD3224 高速低側(cè)雙 4A 柵極驅(qū)動器。

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一、FAD3224 概述

FAD3224 是一款專為低側(cè)開關(guān)應(yīng)用設(shè)計的 4A 柵極驅(qū)動器，主要用于驅(qū)動 N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET。它能夠在短開關(guān)間隔內(nèi)提供高峰值電流脈沖，確保 MOSFET 快速、高效地開關(guān)。內(nèi)部電路具備欠壓鎖定（UVLO）功能，可在電源電壓未達(dá)到工作范圍時將輸出保持為低電平，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，該驅(qū)動器的 A 和 B 通道內(nèi)部傳播延遲匹配，適用于對時序要求嚴(yán)格的雙柵極驅(qū)動應(yīng)用，如同步整流器。而且，還可以將兩個驅(qū)動器并聯(lián)使用，有效將驅(qū)動單個 MOSFET 的電流能力提高一倍。

二、產(chǎn)品特性

1. 寬工作電壓范圍

FAD3224 的工作電壓范圍為 4.5V 至 30V，能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。在 (V{DD}=12V) 時，具有 5A 的峰值灌/拉電流；在 (V{OUT}=6V) 時，灌電流為 4.3A，拉電流為 2.8A，能夠為 MOSFET 提供足夠的驅(qū)動能力。

2. 快速開關(guān)特性

典型的上升/下降時間分別為 12ns/9ns（2.2nF 負(fù)載），典型傳播延遲小于 20ns，且通道間匹配在 2ns 以內(nèi)，確保了快速、準(zhǔn)確的開關(guān)動作，減少開關(guān)損耗。

3. TTL 輸入閾值

具備 TTL 輸入閾值，方便與各種數(shù)字電路接口。如果沒有輸入信號，內(nèi)部電阻會使驅(qū)動器關(guān)閉，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

4. 通道并聯(lián)功能

可通過并聯(lián)通道將電流能力翻倍，滿足高功率應(yīng)用的需求。

5. 寬溫度范圍

工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，并且符合汽車級 AEC - Q100 標(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車等對可靠性要求較高的應(yīng)用場景。

6. 不同 UVLO 版本

提供 FAD3224TMX（4.5V UVLO）和 FAD3224TUMX（9V UVLO）兩種版本，可根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的欠壓鎖定閾值。

三、引腳定義與輸出邏輯

1. 引腳定義

2. 輸出邏輯

四、電氣特性

1. 電源特性

不同版本的 FAD3224 在電源方面有不同的特性。例如，F(xiàn)AD3224T(MX) 的工作電壓范圍為 4.5V 至 30V，在輸入和使能引腳未連接時，電源電流為 0.70 - 1.20mA；而 FAD3224TU(MX) 的工作電壓范圍為 9.5V 至 30V，同樣條件下電源電流也是 0.70 - 1.20mA。

2. 輸入特性

輸入邏輯低閾值 (V_{INLT}) 為 0.8 - 1.2V，邏輯高閾值 (V{INHT}) 為 1.6 - 2.0V，TTL 邏輯滯回電壓 (V{HYST}) 為 0.4 - 0.9V，非反相輸入電流 (I{IN_T}) 為 50μA。

3. 輸出特性

在 (C{LOAD}=0.22μF)、(f = 1kHz) 的條件下，峰值灌電流 (I{PKSINK}) 為 3.7 - 5A，峰值拉電流 (I{PKSOURCE}) 為 5.2 - 7A。輸出上升時間 (t{RISE})（(C{LOAD}=2200pF)）為 12 - 20ns，下降時間 (t{FALL})（(C{LOAD}=2200pF)）為 9 - 17ns，通道間傳播匹配 (t{DEL.MATCH}) 為 2 - 4ns。

五、典型性能特性

1. 靜態(tài)電源電流與電壓、溫度的關(guān)系

靜態(tài)電源電流 (I{DD}) 與電源電壓和溫度有關(guān)。從典型性能曲線可以看出，當(dāng)所有輸入/使能引腳浮空（輸出為低）時，可得到測試配置下的最低靜態(tài) (I{DD}) 電流。在其他狀態(tài)下，實際靜態(tài) (I_{DD}) 電流為曲線值加上額外通過輸入和輸出端 100kΩ 電阻的電流。

2. 輸入閾值與電壓、溫度的關(guān)系

輸入閾值受電源電壓和溫度的影響。輸入閾值滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯閾值，且與 (V_{DD}) 電壓無關(guān)，滯回電壓約為 0.4V。

3. 傳播延遲與電壓、溫度的關(guān)系

傳播延遲也會隨著電源電壓和溫度的變化而變化。在不同的電源電壓和溫度條件下，輸入或使能信號的上升/下降到輸出信號的上升/下降的延遲時間不同。

六、應(yīng)用信息

1. 輸入閾值與驅(qū)動能力擴(kuò)展

FAD3224 驅(qū)動器家族的每個成員都有兩個相同的通道，可獨(dú)立使用或并聯(lián)連接以增加驅(qū)動電流能力。當(dāng)通道 A 和 B 的輸入和輸出并聯(lián)時，ENA 和 ENB 應(yīng)連接并一起驅(qū)動，同時建議為每個通道輸出添加單獨(dú)的柵極電阻，以限制由于通道間傳播延遲或輸入閾值差異可能導(dǎo)致的直通電流。

2. 靜態(tài)電源電流

在 (I{DD})（靜態(tài)）典型性能特性中，曲線是在所有輸入/使能引腳浮空（輸出為低）的情況下得到的，它表示測試配置下的最低靜態(tài) (I{DD}) 電流。在其他狀態(tài)下，實際靜態(tài) (I_{DD}) 電流需要考慮額外通過輸入和輸出端電阻的電流。

3. 欠壓鎖定

FAD3224 的啟動邏輯經(jīng)過優(yōu)化，具有欠壓鎖定（UVLO）功能，可確保 IC 有序啟動。當(dāng) (V{DD}) 上升但低于 UVLO 電平，輸出保持低電平；器件激活后，電源電壓必須下降 0.2V 才會關(guān)閉，這種滯回特性可防止低 (V{DD}) 電源電壓有噪聲時出現(xiàn)抖動。但該配置不適合驅(qū)動高端 P 溝道 MOSFET。

4. (V_{DD}) 旁路電容

為了使 IC 能夠快速開啟器件，應(yīng)在 (V{DD}) 和 GND 引腳之間連接一個低 ESR 和 ESL 的高頻旁路電容 (C{BYP})，其值通常應(yīng)不小于等效負(fù)載電容 (C{EQV}) 的 20 倍，以將 (V{DD}) 電源上的紋波電壓保持在 ≤5%。如果電路噪聲影響正常運(yùn)行，可將 (C{BYP}) 的值增加到 (C{EQV}) 的 50 - 100 倍，或分成兩個電容。

5. 布局和連接準(zhǔn)則

• 保持高電流輸出和電源接地路徑與邏輯和使能輸入信號及信號接地路徑分開，特別是在處理驅(qū)動器輸入和使能引腳的 TTL 電平邏輯閾值時。
• 盡量將驅(qū)動器靠近負(fù)載，以減少高電流走線的長度，降低串聯(lián)電感，提高高速開關(guān)性能，減少輻射 EMI 的回路面積。
• 如果通道的輸入未外部連接，內(nèi)部 400kΩ 電阻會使輸出為低。在嘈雜環(huán)境中，可能需要使用短走線將未使用通道的輸入連接到 (V_{DD}) 或 GND，以防止噪聲導(dǎo)致虛假輸出切換。
• 許多高速功率電路容易受到自身輸出或其他外部源注入的噪聲影響，可能導(dǎo)致輸出重新觸發(fā)。為獲得最佳效果，應(yīng)盡量使所有引腳的連接短而直接。

  6. 熱設(shè)計

  柵極驅(qū)動器在高頻開關(guān) MOSFET 和 IGBT 時會消耗大量功率，因此需要確定驅(qū)動器的功率耗散和結(jié)溫，以確保器件在可接受的溫度范圍內(nèi)工作。總功率耗散 (P{TOTAL}) 由 (P{GATE})（柵極驅(qū)動損耗）和 (P{DYNAMIC})（動態(tài)預(yù)驅(qū)動/直通電流損耗）兩部分組成： [P{TOTAL }=P{GATE }+P{DYNAMIC }] 其中，(P{GATE}=Q{G} × V{GS} × f{SW} × n)，(P{DYNAMIC}=I{DYNAMIC } × V{DD} × n)。確定驅(qū)動器的功率耗散后，可使用熱方程 (T{J}=P{TOTAL } × psi{JB}+T_{B}) 評估驅(qū)動器結(jié)溫相對于電路板的上升情況。

七、典型應(yīng)用

FAD3224 適用于多種應(yīng)用場景，如開關(guān)模式電源、高效 MOSFET 開關(guān)、同步整流器電路、DC - DC 轉(zhuǎn)換器、電機(jī)控制以及汽車級系統(tǒng)等。典型應(yīng)用圖展示了其在不同電路中的應(yīng)用方式，如高電流正向轉(zhuǎn)換器、中心抽頭橋輸出和二次控制全橋等。

八、訂購信息與相關(guān)產(chǎn)品

1. 訂購信息

2. 相關(guān)產(chǎn)品

onsemi 還提供了一系列相關(guān)的柵極驅(qū)動器產(chǎn)品，如 FAN3216T、FAN3217T 等，它們具有不同的驅(qū)動電流、輸入閾值和邏輯類型，可根據(jù)具體需求選擇合適的產(chǎn)品。

總之，F(xiàn)AD3224 是一款性能出色的柵極驅(qū)動器，具有寬工作電壓范圍、快速開關(guān)特性、通道并聯(lián)功能等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場景。在設(shè)計電路時，需要根據(jù)具體需求合理選擇和使用該驅(qū)動器，并注意布局、連接和熱設(shè)計等方面的問題，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。你在使用 FAD3224 或其他柵極驅(qū)動器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。