使用隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)指南（三）：設(shè)計(jì)要點(diǎn)和PCB布局指南

本設(shè)計(jì)指南分為三部分，將講解如何為電力電子應(yīng)用中的功率開關(guān)器件選用合適的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，并介紹實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。上兩期分別講解了隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的介紹與選型指南以及使用安森美(onsemi)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的電源、濾波設(shè)計(jì)與死區(qū)時(shí)間控制，本文為第三部分，將為大家?guī)碓O(shè)計(jì)中的要點(diǎn)和PCB布局指南。

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器VCC時(shí)，關(guān)于上電延遲有哪些注意事項(xiàng)？

對(duì)于所使用的驅(qū)動(dòng)器，要設(shè)計(jì)一個(gè)高能效且快速的電路，啟動(dòng)時(shí)間是一個(gè)重要因素。因此，啟動(dòng)時(shí)間必須要短。但是，啟動(dòng)時(shí)間受上電延遲的限制，上電延遲是指驅(qū)動(dòng)器使能到首次柵極輸出的時(shí)間。同許多電路一樣，所用驅(qū)動(dòng)器的最小上電延遲可以在數(shù)據(jù)表中找到，它用 tVPOR to OUT 來表示。

例如，安森美的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的 VCC 上電延遲時(shí)間典型值為 18μs。建議在驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)之前留一些裕量，以確保驅(qū)動(dòng)器 VCC 偏置電源完全激活。特別是對(duì)于 NCP51561 和 NCP51563，建議 VCC 上電延遲時(shí)間留有適當(dāng)?shù)脑Ａ俊?/p>

例如，在任何 VCC POR 之后的初始啟動(dòng)期間，VCC 上電時(shí)間至少需要 30μs 或以上，如圖 23 (B)所示。如果 VCCX 上電斜坡使得 VCCX 上升時(shí)間小于 tVPOR to OUT，并且 INx 引腳上有 PWM 信號(hào)，那么在 VCC 達(dá)到實(shí)際 UVLO 閾值之前，只要 VCCX 電源電壓超過預(yù)設(shè) UVLO 閾值（例如 VCC=6 V），輸出就會(huì)開始切換，然后停止，直至達(dá)到 UVLO 電平，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 1 所示。

圖1. VCC 上電時(shí)間小于 tVPOR to OUT 時(shí)的波形

圖2. VCC 上電延遲時(shí)間

NCP51560提供了修改VCC上電延遲時(shí)間的控制方法來解決圖24中顯示的問題。在柵極驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)備好提供適當(dāng)?shù)妮敵鰻顟B(tài)之前，從VCC上電復(fù)位（POR）閾值到輸出有一個(gè)上電延遲時(shí)間，表示為tVPOR to OUT（例如典型值18μs）

圖3. VCC 上電延遲時(shí)間新概念

在 VCC 初始啟動(dòng)時(shí)，如果 VCC 上電時(shí)間小于 tVPOR to OUT，那么在上電延遲時(shí)間之后，輸出就會(huì)開啟，如圖 4 所示。

但是，在 VCC 初始啟動(dòng)時(shí)，如果 VCC 上電時(shí)間大于 tVPOR to OUT，那么當(dāng) VCC 電源電壓大于 UVLO 正閾值電壓時(shí)，輸出開啟，如圖 4 所示。

圖4. VCC 上電時(shí)間波形

共模瞬變抗擾度 (CMTI) 測(cè)試

圖 5 顯示了 CMTI 測(cè)試配置的簡(jiǎn)化示意圖。

圖5. CMTI 測(cè)試簡(jiǎn)化設(shè)置

CMTI 水平是能夠保持正確輸出的最大可持續(xù)共模電壓擺率。CMTI 適用于上升和下降共模電壓邊沿。CMTI 通過 GND 與 VSSA 和 VSSB 之間連接的瞬變發(fā)生器來測(cè)試。

例如，有些隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的共模瞬變抗擾度很差。圖 6(a) 顯示了一個(gè)測(cè)試結(jié)果，輸出狀態(tài)在下降 dV/dt 斜坡中從高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

然而，安森美的大多數(shù)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器具有高達(dá) 200 kV/μs 的共模瞬變抗擾度，如圖 6(b) 所示。

圖6. CMTI測(cè)試波形

輸出負(fù)載特性

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)取決于輸出負(fù)載（通常是N溝道MOSFET）的特性。驅(qū)動(dòng)器輸出對(duì)于N溝道MOSFET負(fù)載的響應(yīng)可以模擬為開關(guān)輸出電阻 (RSW)、印刷電路板走線的電感 (LTRACE)、串聯(lián)柵極電阻 (RGATE) 和柵源電容 (CGS)，如圖 7 所示。

圖7. MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)的RLC模型

RSW 為內(nèi)部隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器輸出的開關(guān)電阻，約為 1.4 Ω。RGATE 為 MOSFET 的固有柵極電阻加任何外部串聯(lián)電阻。

LTRACE 為印刷電路板走線的電感，其典型值為 5nH，或者若采用精心布局，從隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器輸出端到MOSFET柵極具有短而寬的連接時(shí)，這個(gè)值會(huì)更小。

以下公式定義了 RLC 電路的質(zhì)量因數(shù)Q，其表示柵極驅(qū)動(dòng)器輸出端如何響應(yīng)階躍變化。對(duì)于高阻尼輸出而言，Q小于1。添加串聯(lián)柵極電阻會(huì)抑制輸出響應(yīng)。

圖 8 (A) 中的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器輸出波形顯示輸出有少量振鈴，測(cè)試條件為：CGS 為 2nF，RSW 為 1.4Ω，RGATE 為 0，使用 15V 輸出電源。通過添加串聯(lián)柵極電阻可以減少輸出振鈴，從而抑制響應(yīng)。

例如，建議添加一個(gè)大約 2Ω 至 5Ω 的串聯(lián)柵極電阻，使用 2nFCGS 和 5Ω 串聯(lián)電阻時(shí)的輸出波形如圖 8 (B) 所示。

圖8. 2nF負(fù)載電容的輸出波形

柵極驅(qū)動(dòng)器功率損耗考量

●   估算柵極驅(qū)動(dòng)器功率損耗

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器給定通道的電源電流是電源電壓、開關(guān)頻率和輸出負(fù)載的函數(shù)。通常，柵極驅(qū)動(dòng)總功率損耗 PGDRV 包括靜態(tài)功率損耗 PGDQ 和動(dòng)態(tài)功率損耗 PGDSW。

自舉二極管損耗未包含在總損耗 PGDRV 中，本部分不予討論。第一個(gè)分量是靜態(tài)功率損耗 PGDQ，當(dāng)以開關(guān)頻率工作時(shí)，它包括驅(qū)動(dòng)器上的靜態(tài)功率損耗和驅(qū)動(dòng)器本身的功耗。

PGDQ 是在給定的 VDD、VCCA/VCCB、開關(guān)頻率和環(huán)境溫度下于試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得，OUTA 和 OUTB 不連接負(fù)載。

其中：IDD 和 ICC 是在電源電壓（VDD 和 VCC）和目標(biāo)開關(guān)頻率下測(cè)得的電流。

第二個(gè)分量是在有負(fù)載電容情況下的動(dòng)態(tài)運(yùn)行損耗 PGDSW，驅(qū)動(dòng)器在每個(gè)開關(guān)周期中為負(fù)載充電和放電。

例如，MOSFET 的柵極可以近似仿真為容性負(fù)載。

由于米勒電容 CGD 及其他非線性因素影響，對(duì)所驅(qū)動(dòng)負(fù)載的近似保守估計(jì)通常是將給定 MOSFET 的標(biāo)稱輸入電容 CISS 乘以 5 倍。

其中：CEST = Ciss × 5。fSW為開關(guān)頻率。

另外，使用柵極電荷可獲得更精確的 P 值。

其中：QG為開關(guān)器件的總柵極電荷，fSW為開關(guān)頻率。

因此，可以計(jì)算柵極驅(qū)動(dòng)總功率損耗 PGDRV：

本例中，VDD=5V，VCC=25V，QG=50nC。當(dāng) INA 和 INB 從 0V 切換到 5V 且開關(guān)頻率為 250 kHz 時(shí)，每個(gè)電源上測(cè)得的電流為：IDD = 6.5 mA，ICCA = ICCB = 2.7 mA。

因此，總功率損耗 PGDRV 可以計(jì)算如下：

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)的損耗 PGDO 是 PGDSW 的一部分。如果柵極驅(qū)動(dòng)器外部電阻為 0，并且所有柵極驅(qū)動(dòng)器損耗都消耗在隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，那么 PGDO 等于 PGDSW。

如果存在外部導(dǎo)通和關(guān)斷電阻，則柵極驅(qū)動(dòng)器開關(guān)的內(nèi)部導(dǎo)通電阻和外部柵極電阻（RON 和 ROFF）共同產(chǎn)生此功耗。利用內(nèi)部柵極電阻與總串聯(lián)電阻的比值，可以計(jì)算隔離式柵極驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)每個(gè)通道的損耗。

因此，柵極驅(qū)動(dòng)器的總功耗 PGDRV 為：

估算結(jié)溫

芯片內(nèi)部的功耗乘以RθJA，便可估算隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器結(jié)溫比室溫高出多少度：

其中：RθJA 為結(jié)至空氣熱阻，可從數(shù)據(jù)表中的熱信息表獲得。

TC為隔離式柵極驅(qū)動(dòng)IC的外殼頂部溫度，使用熱電偶或其他儀器測(cè)量。

ΨJT為結(jié)至頂部特性參數(shù)，可從數(shù)據(jù)表中的熱信息表獲得。

為使器件不超出額定溫度范圍，TJ不得超過125℃。

PCB 布局指南

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的邏輯接口不需要外部接口電路。

輸入和輸出電源引腳需要電源旁路電容，如圖 9 所示。

尤其是輸出電源引腳上的旁路電容必須避免使用過孔，或者必須使用多個(gè)過孔來降低旁路電感值。VDD 和 VCCA（或 VCCB）的電源旁路電容需要布置在盡可能靠近電源引腳的地方。

圖9. 推薦的電源旁路電容布局

為了改善設(shè)計(jì)的開關(guān)特性和效率，開始 PCB 布局之前應(yīng)考慮以下事項(xiàng)。

●   元件放置

輸入/輸出走線應(yīng)盡可能短。

最大限度地降低寄生電感和電容對(duì)布局的影響。（為保持較低的信號(hào)路徑電感，應(yīng)避免使用過孔。）

VDD 和 VCCA（或 VCCB）的電源旁路電容以及柵極電阻需要布置在盡可能靠近柵極驅(qū)動(dòng)器的地方。

柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)盡可能靠近開關(guān)器件，以降低走線電感并避免輸出振鈴。

●   接地考量

在高速信號(hào)層下方應(yīng)有一個(gè)實(shí)心接地平面。

VSSA 和 VSSB 引腳旁邊應(yīng)有一個(gè)實(shí)心接地平面，并為 VSSA 和 VSSB 使用多個(gè)過孔，以降低寄生電感并使輸出信號(hào)上的振鈴最小。

●   高壓 (VISO) 考量

為確保初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的隔離性能良好，對(duì)于窄體封裝和寬體封裝，驅(qū)動(dòng)器件下方不應(yīng)布置任何 PCB 走線或銅，如圖 10 和圖 11 所示。建議提供 PCB 切口以防止污染，避免損害隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離性能。

圖10.推薦的窄體封裝PCB布局

圖11. 推薦的寬體封裝PCB布局