電源設(shè)計中IC驅(qū)動電流不足的解決方法

在電源設(shè)計中，工程師通常會面臨控制IC驅(qū)動電流不足的問題，或者面臨由于柵極驅(qū)動損耗導(dǎo)致控制IC功耗過大的問題。為緩解這一問題，工程師通常會采用外部驅(qū)動器。

中心議題：

工程師如何解決控制IC驅(qū)動電流不足的問題

利用幾個部件就可以構(gòu)建一款獨(dú)立驅(qū)動器

具有同步整流器的電源可使用變壓器的繞組電壓來驅(qū)動?xùn)艠O

解決方案：

簡單的緩沖器可驅(qū)動2Amps以上的電流

FMMT618的更高電流驅(qū)動器可增強(qiáng)驅(qū)動能力

在電源設(shè)計中，工程師通常會面臨控制IC驅(qū)動電流不足的問題，或者面臨由于柵極驅(qū)動損耗導(dǎo)致控制IC功耗過大的問題。為緩解這一問題，工程師通常會采用外部驅(qū)動器。半導(dǎo)體廠商(包括TI在內(nèi))擁有現(xiàn)成的MOSFET集成電路驅(qū)動器解決方案，但這通常不是成本最低的解決方案。通常會選擇價值幾美分的分立器件。

圖1：緩沖器可驅(qū)動2Amps以上的電流

圖1中的示意圖顯示了一個NPN/PNP發(fā)射跟隨器對，其可用于緩沖控制IC的輸出。這可能會增加控制器的驅(qū)動能力并將驅(qū)動損耗轉(zhuǎn)移至外部組件。許多人都認(rèn)為該特殊電路無法提供足夠的驅(qū)動電流。

如圖2中hf曲線所示，通常廠商都不會為這些低電流器件提供高于0.5A的電流。但是，該電路可提供大大高于0.5A的電流驅(qū)動，如圖1中的波形所示。就該波形而言，緩沖器由一個50Ω源驅(qū)動，負(fù)載為一個與1Ω電阻串聯(lián)的0.01 uF電容。該線跡顯示了1Ω電阻兩端的電壓，因此每段接線柱上的電流為2A.該數(shù)字還顯示MMBT2222A可以提供大約3A的電流，MMBT3906吸收2A的電流。

事實(shí)上，晶體管將與其組件進(jìn)行配對(MMBT3904用于3906,MMBT2907用于2222)。這兩個不同的配對僅用于比較。這些器件還具有更高的電流和更高的hfe, 如FMMT618/718對，其在6A電流時具有100 的hfe(請參見圖2)。與集成驅(qū)動器不同，分立器件是更低成本的解決方案，且有更高的散熱和電流性能。

圖2：諸如FMMT618的更高電流驅(qū)動器可增強(qiáng)驅(qū)動能力

圖3顯示了一款可使您跨越隔離邊界的簡單緩沖器變量情況。一個信號電平變壓器由一個對稱雙極驅(qū)動信號來驅(qū)動。變壓器次級繞組用于生成緩沖器電力并為緩沖器提供輸入信號。二極管D1和D2對來自變壓器的電壓進(jìn)行調(diào)整，而晶體管Q1和Q2則用于緩沖變壓器輸出阻抗以提供大電流脈沖，從而對連接輸出端的FET進(jìn)行充電和放電。該電路效率極高且具有50%的占空比輸入(請參見圖3中較低的驅(qū)動信號)，因?yàn)槠鋵Ⅱ?qū)動FET柵極為負(fù)并可提供快速開關(guān)，從而最小化開關(guān)損耗。這非常適用于相移全橋接轉(zhuǎn)換器。

如果您打算使用一個小于50%的上方驅(qū)動波形(請參見圖3)，那么就要使用緩沖變壓器。這樣做有助于避免由于轉(zhuǎn)換振鈴引起的任意開啟EFT一次低電平到零的轉(zhuǎn)換可能會引起漏電感和次級電容，從而引發(fā)振鈴并在變壓器外部產(chǎn)生一個正電壓。

圖3：利用幾個部件您就可以構(gòu)建一款獨(dú)立驅(qū)動器

總之，分立器件可以幫助您節(jié)約成本。價值大約0.04美元的分立器件可以將驅(qū)動器IC成本降低10倍。分立驅(qū)動器可提供超過2A的電流并且可以使您從控制IC中獲得電力。此外，該器件還可去除控制IC中的高開關(guān)電流，從而提高穩(wěn)壓和噪聲性能。

我們來了解一下自驅(qū)動同整流器并探討何時需要分立驅(qū)動器來保護(hù)同步整流器柵極免受過高電壓帶來的損壞。理想情況下，您可以利用電源變壓器直接驅(qū)動同步整流器，但是由于寬泛的輸入電壓變量，變壓器電壓會變得很高以至于可能會損壞同步整流器。

圖4顯示的是用于控制同步反向拓?fù)渲蠶2傳導(dǎo)的分立器件。該電路可以讓您控制開啟柵極電流并保護(hù)整流器柵極免受高反向電壓的損壞。該電路可以用變壓器輸出端的負(fù)電壓進(jìn)行驅(qū)動。12V輸入與5V輸出相比負(fù)電壓值很大，從而引起Q1傳導(dǎo)并短路電源FET Q2上的柵-源電壓，迅速將其關(guān)閉。由于基極電流流經(jīng) R2,因此在加速電容C1上就有了一個負(fù)電壓。在此期間，一次側(cè) FET將會發(fā)生傳導(dǎo)并在變壓器磁化電感中存儲能量。一次側(cè)FET關(guān)閉時，變壓器輸出電壓在正電壓范圍擺動。Q2柵-源通過D1和R1被迅速前向偏置。C1放電時，D2對Q1基極-發(fā)射極連接進(jìn)行保護(hù)。在一次側(cè)FET再次開啟之前，該電路會一直保持這種狀態(tài)。正如同步降壓轉(zhuǎn)換器那樣，輸出電流會真正地對輸出電容進(jìn)行放電。開啟一次側(cè)FET會衰減變壓器二次側(cè)上的電壓并去除Q2的正驅(qū)動。這種轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致明顯的貫通疊加一次側(cè) FET和 Q2 傳導(dǎo)次數(shù)。為了最小化該次數(shù)，當(dāng)一次側(cè)和二次側(cè)FET均開啟時，Q1將會盡快地短路同步整流器上的柵-源。

圖4：Q1 快速關(guān)閉同步反向

圖5顯示的是用于控制同步正向轉(zhuǎn)換器中Q1和Q4傳導(dǎo)的分立驅(qū)動器。在此特殊的設(shè)計中，輸入電壓很寬泛。這就是說兩個FET的柵極可能會有超過其額定電壓的情況，因此就需要一個鉗位電路。當(dāng)變壓器輸出電壓為負(fù)數(shù)，該電路就會開啟Q4二極管D2和D4將正驅(qū)動電壓限制在4.5V左右。D1和D3將FET關(guān)閉， 該FET由變壓器和電感中的電流進(jìn)行驅(qū)動。Q1和Q4將反向柵極電壓鉗位到接地。在此設(shè)計中，F(xiàn)ET 具有相當(dāng)小柵極電感，因此轉(zhuǎn)換非常迅速。較大的FET可能需要實(shí)施一個PNP晶體管對變壓器繞組進(jìn)行柵極電容去耦并提升開關(guān)速度。為柵極驅(qū)動轉(zhuǎn)換器Q2和Q3選擇合適的封裝至關(guān)重要，因?yàn)檫@些封裝會消耗轉(zhuǎn)換器中大量的電能(這是因?yàn)樵?FET 柵極電容放電期間這些封裝會起到線性穩(wěn)壓器的作用)。此外，由于更高的輸出電壓R1和R2中的功耗可能也會很高。

圖5 ：D2和D4限制了該同步正向驅(qū)動器中正柵極電壓

總之，許多具有同步整流器的電源都可以使用變壓器的繞組電壓來驅(qū)動同步整流器的柵極。寬范圍輸入或高輸出電壓需要調(diào)節(jié)電路來保護(hù)柵極。在圖4所示的同步反向結(jié)構(gòu)中，我們向您介紹了如何在保持快速的開關(guān)轉(zhuǎn)換的同時控制同步整流器柵極上的反向電壓。與之相類似在圖2的同步正向結(jié)構(gòu)中，我們向您介紹了如何限制同步整流器柵極上的正驅(qū)動電壓。