深入解析 onsemi FAN3223/FAN3224/FAN3225 高速低側(cè)雙 4A 柵極驅(qū)動(dòng)器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，柵極驅(qū)動(dòng)器是功率電子應(yīng)用中不可或缺的關(guān)鍵組件，它對(duì)于高效、可靠地驅(qū)動(dòng) MOSFET 至關(guān)重要。今天，我們將深入探討 onsemi 公司的 FAN3223/FAN3224/FAN3225 系列高速低側(cè)雙 4A 柵極驅(qū)動(dòng)器，了解其特性、工作原理以及應(yīng)用場景。

文件下載：FAN3223-D.PDF

產(chǎn)品概述

FAN3223 - 25 系列是專為低側(cè)開關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)的雙 4A 柵極驅(qū)動(dòng)器，旨在驅(qū)動(dòng) N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET。它能在短開關(guān)間隔內(nèi)提供高峰值電流脈沖，有 TTL 或 CMOS 輸入閾值可供選擇。內(nèi)部電路具備欠壓鎖定（UVLO）功能，可確保在電源電壓處于工作范圍內(nèi)時(shí)才使輸出有效。此外，該系列驅(qū)動(dòng)器的 A 和 B 通道內(nèi)部傳播延遲匹配良好，適用于對(duì)時(shí)序要求嚴(yán)格的雙柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，如同步整流器，還能通過并聯(lián)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器有效將驅(qū)動(dòng)單個(gè) MOSFET 的電流能力加倍。

產(chǎn)品特性

1. 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳排列

采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳排列，方便工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和布局，提高了設(shè)計(jì)的兼容性和可互換性。

2. 寬工作電壓范圍

工作電壓范圍為 4.5V 至 18V，能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，增強(qiáng)了產(chǎn)品的通用性。

3. 高電流驅(qū)動(dòng)能力

在 (V{DD}=12V) 時(shí)，具有 5A 的峰值灌電流/拉電流能力；在 (V{OUT}=6V) 時(shí)，灌電流為 4.3A，拉電流為 2.8A，能夠?yàn)?MOSFET 提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流。

4. 多種輸入閾值選擇

提供 TTL 或 CMOS 輸入閾值選擇，滿足不同邏輯電平的需求，方便與各種控制系統(tǒng)集成。

5. 三種版本的雙獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器

• FAN3223：雙反相驅(qū)動(dòng)器 + 使能功能。
• FAN3224：雙同相驅(qū)動(dòng)器 + 使能功能。
• FAN3225：雙輸入驅(qū)動(dòng)器，可配置為同相或反相，并帶有可選的使能功能。

  6. 內(nèi)部電阻保護(hù)

  若沒有輸入信號(hào)，內(nèi)部電阻會(huì)將驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

  7. MillerDrive 技術(shù)

  采用 MillerDrive? 架構(gòu)的輸出級(jí)，結(jié)合了雙極型和 MOS 器件，在 MOSFET 開關(guān)過程的米勒平臺(tái)階段提供大電流，可有效降低開關(guān)損耗，同時(shí)具備軌到軌電壓擺幅和反向電流能力。

  8. 快速開關(guān)速度

  典型的上升/下降時(shí)間為 12ns/9ns（2.2nF 負(fù)載），典型傳播延遲小于 20ns，且通道間匹配在 1ns 以內(nèi)，確保了快速、準(zhǔn)確的開關(guān)動(dòng)作。

  9. 封裝形式多樣

  提供 8 引腳 3x3mm MLP 和 8 引腳 SOIC 封裝，滿足不同的應(yīng)用需求和 PCB 布局要求。

  10. 寬工作溫度范圍

  額定工作環(huán)境溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，適用于各種惡劣的工業(yè)和汽車應(yīng)用環(huán)境。

電氣特性

1. 電源特性

• 工作電壓范圍為 4.5V 至 18V。
• 靜態(tài)電源電流方面，除 FAN3225C 外，其他型號(hào)在輸入和使能引腳未連接時(shí)為 0.70 - 0.95mA，F(xiàn)AN3225C 為 0.21 - 0.35mA。

  2. 輸入特性

• TTL 輸入閾值：邏輯低閾值 (V{INL_T}) 為 0.8 - 1.2V，邏輯高閾值 (V{INH_T}) 為 1.6 - 2.0V，遲滯電壓 (V_{HYS_T}) 為 0.2 - 0.8V。
• CMOS 輸入閾值：邏輯低閾值 (V{INL_C}) 為 30 - 38% (V{DD})，邏輯高閾值 (V{INH_C}) 為 55 - 70% (V{DD})，遲滯電壓 (V{HYS_C}) 約為 17% (V{DD})。

  3. 使能特性

  使能引腳的邏輯低閾值 (V{ENL}) 為 0.8 - 1.2V，邏輯高閾值 (V{ENH}) 為 1.6 - 2.0V，遲滯電壓 (V{HYS_T}) 約為 0.4V，上拉電阻 (R{PU}) 為 100kΩ。使能信號(hào)到輸出的傳播延遲在不同條件下有所不同，如 0V 到 5V 使能信號(hào)、1V/ns 轉(zhuǎn)換速率時(shí)為 9 - 26ns。

  4. 輸出特性

• 輸出電流方面，中壓灌電流 (I{SINK}) 為 4.3A，中壓拉電流 (I{SOURCE}) 為 -2.8A，峰值灌電流 (I{PK_SINK}) 為 5A，峰值拉電流 (I{PK_SOURCE}) 為 -5A。
• 輸出上升時(shí)間 (t{RISE}) 為 12 - 20ns（(C{LOAD}=2200pF)），下降時(shí)間 (t{FALL}) 為 9 - 17ns（(C{LOAD}=2200pF)）。
• 通道間傳播延遲匹配 (DEL.MATCH) 為 2 - 4ns。
• 輸出反向電流承受能力 (RVS) 為 500mA。

應(yīng)用信息

1. 輸入閾值選擇

FAN322x 系列驅(qū)動(dòng)器有 TTL 和 CMOS 兩種輸入閾值版本。TTL 輸入閾值獨(dú)立于 (V{DD}) 電壓，約有 0.4V 的遲滯電壓，要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有快速的上升和下降沿，轉(zhuǎn)換速率不低于 6V/μs。CMOS 輸入閾值依賴于 (V{DD}) 電壓，在 (V{DD}=12V) 時(shí)，邏輯上升沿閾值約為 55% (V{DD})，下降沿閾值約為 38% (V{DD})，遲滯電壓約為 17% (V{DD})，允許相對(duì)較慢的輸入邊沿，但需要良好的去耦和旁路技術(shù)來防止噪聲干擾。

2. 靜態(tài)電源電流

在所有輸入/使能引腳浮空（輸出為低）時(shí)，靜態(tài) (I{DD}) 電流最低。對(duì)于其他狀態(tài)，實(shí)際靜態(tài) (I{DD}) 電流為曲線值加上通過輸入和輸出端 100kΩ 電阻的額外電流。

3. MillerDrive 柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)

該技術(shù)結(jié)合了雙極型和 MOS 器件，能在 MOSFET 開關(guān)過程的米勒平臺(tái)區(qū)域提供大電流，加快開關(guān)速度，降低開關(guān)損耗。即使在零電壓開關(guān)應(yīng)用中，也能提供高峰值電流實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)。

4. 欠壓鎖定（UVLO）

FAN322x 具有 UVLO 功能，確保在 (V{DD}) 上升且低于 UVLO 電平期間，輸出保持低電平。當(dāng)器件啟動(dòng)后，電源電壓需下降 0.2V 才會(huì)關(guān)閉，這種遲滯特性可防止低 (V{DD}) 電源噪聲引起的抖動(dòng)。但該配置不適用于驅(qū)動(dòng)高端 P 溝道 MOSFET。

5. (V_{DD}) 旁路電容選擇

為使驅(qū)動(dòng)器快速開啟，應(yīng)在 (V{DD}) 和 GND 引腳之間連接一個(gè)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}) 電源上的紋波電壓控制在 ≤5%。若電路噪聲影響正常工作，可增大 (C_{BYP}) 或采用兩個(gè)電容并聯(lián)的方式。

6. 布局和連接指南

• 保持高電流輸出和電源地路徑與邏輯和使能輸入信號(hào)及信號(hào)地路徑分開，特別是在處理 TTL 電平邏輯閾值時(shí)。
• 將驅(qū)動(dòng)器盡量靠近負(fù)載，以減少高電流走線長度，降低串聯(lián)電感，提高高速開關(guān)性能，減少 EMI 輻射。
• 對(duì)于未使用的通道輸入，在噪聲環(huán)境中，可使用短走線將其連接到 (V_{DD}) 或 GND，以防止噪聲引起的誤觸發(fā)。
• 盡量使所有引腳連接短而直接，以獲得最佳性能。

熱管理

柵極驅(qū)動(dòng)器在高頻開關(guān) MOSFET 和 IGBT 時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的功率損耗，因此需要進(jìn)行熱管理以確保器件在可接受的溫度范圍內(nèi)工作?？偣β蕮p耗 (P_{TOTAL}) 由兩部分組成：

• (P_{GATE})（柵極驅(qū)動(dòng)損耗）：(P{GATE}=Q{G} × V{GS} × f{SW} × n)，其中 (Q{G}) 為柵極電荷，(V{GS}) 為柵源電壓，(f_{SW}) 為開關(guān)頻率，(n) 為使用的驅(qū)動(dòng)器通道數(shù)。
• (P_{DYNAMIC})（動(dòng)態(tài)預(yù)驅(qū)動(dòng)/直通電流損耗）：(P{DYNAMIC}=I{DYNAMIC} × V{DD} × n)，其中 (I{DYNAMIC}) 可通過典型性能特性圖估算。

確定驅(qū)動(dòng)器的功率損耗后，可使用熱方程 (T{J}=P{TOTAL} × Psi{JB}+T{B}) 評(píng)估驅(qū)動(dòng)器結(jié)溫相對(duì)于電路板的溫升，其中 (T{J}) 為驅(qū)動(dòng)器結(jié)溫，(Psi{JB}) 為熱特性參數(shù)，(T_{B}) 為電路板溫度。

典型應(yīng)用

FAN3223/FAN3224/FAN3225 系列驅(qū)動(dòng)器適用于多種應(yīng)用場景，如開關(guān)模式電源、高效 MOSFET 開關(guān)、同步整流電路、DC - DC 轉(zhuǎn)換器和電機(jī)控制等。在這些應(yīng)用中，其高電流驅(qū)動(dòng)能力、快速開關(guān)速度和良好的時(shí)序匹配性能能夠提高系統(tǒng)的效率和可靠性。

總結(jié)

onsemi 的 FAN3223/FAN3224/FAN3225 系列高速低側(cè)雙 4A 柵極驅(qū)動(dòng)器具有豐富的特性和良好的性能，為電子工程師在功率電子設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)可靠的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的需求選擇合適的型號(hào)和輸入閾值，并遵循布局和熱管理指南，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。你在使用這類柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)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。