深入剖析FAN8811：高性能高低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器的卓越之選

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等功率器件的關(guān)鍵組件，其性能直接影響到整個(gè)電路的效率、速度和可靠性。今天，我們將深入探討安森美（onsemi）推出的一款高性能高低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器——FAN8811，了解它的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、FAN8811概述

FAN8811是一款專為高壓、高速驅(qū)動(dòng)MOSFET而設(shè)計(jì)的高低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)IC，能夠驅(qū)動(dòng)工作電壓高達(dá)80V的N溝道MOSFET。它集成了驅(qū)動(dòng)IC和自舉二極管，具有低延遲時(shí)間和匹配的PWM輸入傳播延遲，進(jìn)一步提升了器件的性能。

特點(diǎn)

1. 雙N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)：能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)的N溝道MOSFET，適用于半橋或同步降壓配置。
2. 集成自舉二極管：為高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)提供自舉偏置電源，自舉電源電壓范圍可達(dá)100V。
3. 高輸出電流能力：具有3A源電流和6A灌電流輸出能力，能夠快速充電和放電負(fù)載電容。
4. 快速開關(guān)速度：能夠在典型的6ns/4ns上升/下降時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)1nF負(fù)載。
5. TTL兼容輸入閾值：PWM輸入信號(hào)（高電平）可以是3.3V、5V或高達(dá)VDD邏輯輸入，適應(yīng)各種應(yīng)用需求。
6. 寬電源電壓范圍：電源電壓范圍為7.5V至16V（絕對(duì)最大值為18V）。
7. 快速傳播延遲時(shí)間：典型傳播延遲時(shí)間為30ns，延遲匹配典型值為2ns。
8. 欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)：為驅(qū)動(dòng)電壓提供欠壓鎖定保護(hù)，確保器件在合適的電壓下工作。
9. 寬工作溫度范圍：工作結(jié)溫范圍為 -40°C至125°C。
10. 環(huán)保設(shè)計(jì)：這些器件無(wú)鉛、無(wú)鹵素/BFR，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

典型應(yīng)用

1. 電信和數(shù)據(jù)通信電源：為電信和數(shù)據(jù)通信設(shè)備提供高效穩(wěn)定的電源。
2. 半橋和全橋轉(zhuǎn)換器：用于DC-DC轉(zhuǎn)換，提高電源轉(zhuǎn)換效率。
3. 同步降壓轉(zhuǎn)換器：實(shí)現(xiàn)高效的降壓轉(zhuǎn)換，為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。
4. 雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器：適用于需要高功率輸出的應(yīng)用。
5. D類音頻放大器：提供高保真的音頻放大。

二、引腳連接與功能

引腳分配

功能模塊

1. 輸入級(jí)：基于TTL兼容輸入閾值邏輯，獨(dú)立于VDD電源電壓，輸入阻抗為100kΩ，提供2.2V上升閾值和1.7V下降閾值。
2. 電平轉(zhuǎn)換：作為高側(cè)輸入到高側(cè)驅(qū)動(dòng)器級(jí)的接口，參考開關(guān)節(jié)點(diǎn)（HS），實(shí)現(xiàn)對(duì)HO輸出的控制，并與低側(cè)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)良好的延遲匹配。
3. 自舉二極管：集成高電壓自舉二極管，為高側(cè)偏置提供電源，陽(yáng)極連接到VDD，陰極連接到HB，具有快速恢復(fù)時(shí)間和低電阻值。
4. 欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)：高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動(dòng)器均具有獨(dú)立的UVLO保護(hù)，監(jiān)測(cè)VDD電源電壓和HB自舉電壓，確保足夠的電源電壓來(lái)正確偏置高低側(cè)電路。
5. 輸出級(jí)：能夠提供3.0A/6.0A的典型灌/源電流，有效充電和放電1nF負(fù)載，實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)、低電阻和高電流能力。

三、電氣特性

電源部分

• VDD靜態(tài)電流：典型值為0.17mA，最大值為0.3mA。
• VDD工作電流：在500kHz開關(guān)頻率下，典型值為1.5mA，最大值為3.0mA。
• HB靜態(tài)電流：典型值為0.1mA，最大值為0.2mA。
• HB工作電流：在500kHz開關(guān)頻率下，典型值為1.9mA，最大值為3.0mA。
• VDD UVLO閾值：上升閾值為6.2V至7.4V，典型值為6.8V，滯回值為0.6V。
• HB UVLO閾值：上升閾值為5.5V至7.2V，典型值為6.3V，滯回值為0.4V。

輸入邏輯部分

• 高電平輸入電壓閾值：典型值為2.2V，范圍為1.80V至2.50V。
• 低電平輸入電壓閾值：典型值為1.7V，范圍為1.3V至2.0V。
• 輸入邏輯電壓滯回：典型值為0.5V。
• 輸入下拉電阻：典型值為100kΩ。

自舉二極管

• 低電流正向電壓：在100μA電流下，典型值為0.8V，范圍為0.55V至0.8V。
• 高電流正向電壓：在100mA電流下，典型值為1.0V，范圍為0.8V至1.0V。
• 動(dòng)態(tài)電阻：在100mA電流下，典型值為1.5Ω，范圍為0.7Ω至2Ω。
• 二極管關(guān)斷時(shí)間：在IF = 20mA，IREV = 0.5A條件下，典型值為20ns。

低側(cè)驅(qū)動(dòng)器

• 低電平輸出電壓：在ILO = 100mA時(shí)，典型值為0.15V，范圍為0.06V至0.15V。
• 高電平輸出電壓：在ILO = -100mA時(shí)，典型值為0.28V，范圍為0.16V至0.28V。
• 峰值上拉電流：典型值為3A。
• 峰值下拉電流：典型值為6A。
• LO上升時(shí)間：在10%至90%，CLOAD = 1nF條件下，典型值為6ns。
• LO下降時(shí)間：在90%至10%，CLOAD = 1nF條件下，典型值為4ns。
• LI低傳播延遲：典型值為28ns至43ns。
• LI高傳播延遲：典型值為30ns至45ns。

高側(cè)驅(qū)動(dòng)器

• 低電平輸出電壓：在IHO = 100mA時(shí)，典型值為0.15V，范圍為0.06V至0.15V。
• 高電平輸出電壓：在IHO = -100mA時(shí)，典型值為0.28V，范圍為0.16V至0.28V。
• 峰值上拉電流：典型值為3A。
• 峰值下拉電流：典型值為6A。
• HO上升時(shí)間：在10%至90%，CLOAD = 1nF條件下，典型值為6ns。
• HO下降時(shí)間：在90%至10%，CLOAD = 1nF條件下，典型值為4ns。
• HI低傳播延遲：典型值為28ns至43ns。
• HI高傳播延遲：典型值為30ns至45ns。

延遲匹配

• HI關(guān)斷到LI開啟的延遲：典型值為2ns至10ns。
• LI關(guān)斷到HI開啟的延遲：典型值為2ns至10ns。

最小脈沖寬度

HI和LI的最小脈沖寬度典型值為50ns。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

自舉電容選擇

自舉電容的最大允許電壓降取決于柵極驅(qū)動(dòng)IC的內(nèi)部欠壓鎖定電平以及開關(guān)節(jié)點(diǎn)HS的源連接電壓。可以通過以下公式計(jì)算： [ Delta V{HB}=V{DD}-V{f}-V{HB, UVLO } ] 其中，(V{DD})為柵極驅(qū)動(dòng)IC電源電壓，(V{f})為自舉二極管的靜態(tài)正向電壓降，(V_{HB, UVLO})為HB欠壓鎖定電平。

自舉電容所需的總電荷可以通過以下公式計(jì)算： [ Q{BS}=Q{g}+left(I{HBS} × T{ON}right) ] 其中，(Q{BS})為自舉電容的總柵極電荷，(Q{g})為MOSFET的柵極電荷，(I{HBS})為高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)IC的靜態(tài)電流，(T{ON})為MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間。

最小所需自舉電容可以通過以下公式計(jì)算： [ C{BOOT.MIN } geq frac{Q{BS}}{Delta V_{HB}} ]

外部自舉串聯(lián)電阻選擇

為了減少由寄生電感引起的電壓振鈴現(xiàn)象，首先要優(yōu)化PCB布局以減少功率路徑的寄生組件，其次可以在自舉電容上添加一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)減慢高側(cè)MOSFET的導(dǎo)通過渡。推薦選擇小于10Ω的電阻。自舉峰值電流可以通過以下公式計(jì)算： [ I{BOOT(PEAK) }=frac{V{DD}-V{f}}{R{B}} ]

柵極電阻選擇

柵極電阻的選擇可以減少由寄生電感和電容引起的HS節(jié)點(diǎn)的振鈴電壓，但會(huì)限制柵極驅(qū)動(dòng)器輸出的電流能力?？梢酝ㄟ^以下公式計(jì)算柵極電阻限制的電流能力： [ I{OHH}=frac{V{DD}-V{f}-V{OHH}}{R{gate }} ] [ I{OLL }=frac{V{DD}-V{OLL }}{R{gate }} ] [ I{OLH}=frac{V{DD}-V{f}-V{OLH}}{R{gate }} ] [ I{OHL}=frac{V{DD}-V{OHL}}{R{gate }} ] 其中，(I{OHH})為高側(cè)峰值源電流，(I{OLH})為高側(cè)峰值灌電流，(I{OHL})為低側(cè)峰值源電流，(I{OLL})為低側(cè)峰值灌電流，(V{f})為自舉二極管正向電壓降，(V{OHH})為高側(cè)高電平輸出電壓降，(V{OLH})為高側(cè)低電平輸出電壓降，(V{OHL})為低側(cè)高電平輸出電壓降，(V_{OLL})為低側(cè)低電平輸出電壓降。

柵極驅(qū)動(dòng)器功率損耗

總功率損耗是柵極驅(qū)動(dòng)器損耗和自舉二極管損耗的總和。柵極驅(qū)動(dòng)器損耗包括與開關(guān)頻率相關(guān)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗、高低側(cè)驅(qū)動(dòng)器的輸出負(fù)載電容損耗以及內(nèi)部消耗的電源電壓VDD。靜態(tài)損耗主要由低側(cè)驅(qū)動(dòng)器的電源電壓VDD和地之間的靜態(tài)電流以及高側(cè)驅(qū)動(dòng)器電平轉(zhuǎn)換階段的泄漏電流引起，動(dòng)態(tài)損耗主要由負(fù)載電容的充電和放電以及內(nèi)部CMOS電路的開關(guān)損耗引起?？梢酝ㄟ^以下公式估算柵極驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)損耗： [ P{DGATE }=2 × C{L} × f{S} × V{DD}^{2} ] 自舉電路的功率損耗是自舉二極管損耗和自舉電阻損耗（如果存在）的總和。自舉二極管損耗包括充電時(shí)的正向偏置功率損耗和反向恢復(fù)時(shí)的反向偏置功率損耗，與開關(guān)頻率成正比。

PCB布局指南

由于FAN8811是高速、高電流的高低側(cè)驅(qū)動(dòng)器，為了避免器件在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，電流開關(guān)路徑中的寄生電感應(yīng)盡可能低。在進(jìn)行PCB布局時(shí)，應(yīng)遵循以下建議：

• 柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)盡可能靠近開關(guān)MOSFET。
• VDD電容和自舉電容應(yīng)盡可能靠近器件。
• 為了減少HS節(jié)點(diǎn)的振鈴電壓，MOSFET的高側(cè)源極和低側(cè)漏極之間的間距應(yīng)盡可能小。
• 暴露焊盤應(yīng)連接到GND平面，并使用至少四個(gè)或更多過孔以提高熱性能。
• 避免驅(qū)動(dòng)器輸入脈沖信號(hào)靠近HS節(jié)點(diǎn)。

五、總結(jié)

FAN8811是一款性能卓越的高低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器，具有高速度、高電流、低延遲等特點(diǎn)，適用于多種電源轉(zhuǎn)換和音頻放大應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過程中，合理選擇自舉電容、外部自舉串聯(lián)電阻和柵極電阻，以及優(yōu)化PCB布局，可以充分發(fā)揮FAN8811的性能，提高電路的效率和可靠性。希望本文對(duì)電子工程師在使用FAN8811進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。你在使用FAN8811的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。