最小的雙通道低邊柵極驅(qū)動IC

—— 采用小尺寸封裝的EiceDRIVERTM 2EDN雙通道低邊柵極驅(qū)動IC可助力實現(xiàn)超高功率密度設(shè)計，同時提高可靠性和性能

作者：時間：2023-12-28 來源：

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為了給諸如人工智能、計算機視覺和機器學(xué)習(xí)等新興應(yīng)用中使用的GPU和CPU供電，數(shù)據(jù)中心和計算系統(tǒng)的整體功率水平日益提高。因此，要滿足與日俱增的功率密度和效率要求，不僅需要對功率開關(guān)技術(shù)（如GaN和SiC）和新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新，而且需要進一步優(yōu)化柵極驅(qū)動IC。功率半導(dǎo)體的工作頻率從數(shù)百kHz到MHz不等，再加上快速開關(guān)瞬態(tài)，這對柵極驅(qū)動電路提出了新的挑戰(zhàn)，它必須確保在這些關(guān)鍵型基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中實現(xiàn)安全可靠的運行。因此，柵極驅(qū)動IC在保護系統(tǒng)，確保系統(tǒng)穩(wěn)健運行的同時，還要為提高處理功率起到關(guān)鍵作用。為了支持實現(xiàn)這一點，英飛凌不久前推出了具有5A源/漏輸出電流能力的新一代雙通道低邊柵極驅(qū)動IC?，F(xiàn)在，EiceDRIVER^TM 2EDN產(chǎn)品系列進一步壯大，增加了采用小型引線框架SOT23 (2.9 x 2.8 mm) 6引腳封裝和超小型無引線TSNP (1.5 x 1.1 mm) 6引腳封裝的產(chǎn)品。這些新封裝型號有助于實現(xiàn)靈活布局、縮小占板空間并進一步優(yōu)化柵極驅(qū)動環(huán)路，以便為高功率密度應(yīng)用提供更出色的開關(guān)性能。圖1以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SMD電阻器為參考，直觀地展示了采用超小型TSNP封裝的全新EiceDRIVER^TM 2EDN7534U的尺寸，如圖所示，其占板空間與0603電阻器差不多。

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本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202312/454339.htm

圖1：占板空間對比：采用TSNP 封裝的EiceDRIVER^TM 2EDN7534U 較之于SMD電阻器

除提供多個封裝選項之外，新的EiceDRIVER^TM2EDN產(chǎn)品系列還具備一個經(jīng)優(yōu)化的輸出級，可實現(xiàn)驅(qū)動電壓有源箝位、更短欠壓鎖定（UVLO）啟動時間和更低電流消耗。不僅如此，高精度傳播延遲允許兩路并行輸出，可將電流能力提高至兩倍，并最大限度地減少死區(qū)時間損耗，從而達到很高系統(tǒng)效率。圖2（右圖）顯示了一個通過實現(xiàn)兩路并行輸出獲益匪淺的應(yīng)用示例：混合開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器(HSC)中的同步整流級通常在沒有柵極電阻器的情況下運行，以實現(xiàn)最快開關(guān)瞬態(tài)。使用EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x產(chǎn)品的另一個應(yīng)用示例是服務(wù)器SMPS中典型的中心抽頭整流器，如圖2所示。全新EiceDRIVER^TM 2EDN7534B采用SOT23封裝，其性能與其他采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝（DSO和TSSOP）的產(chǎn)品一樣，但占用的PCB面積更小，這一點在空間受限的設(shè)計中尤為重要。

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圖2a：CT整流器

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圖2b：HSC拓?fù)渲械?/span>SR

圖2a和2b：全新EiceDRIVER? 2EDN7534產(chǎn)品的應(yīng)用示例

產(chǎn)品系列概況

EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x產(chǎn)品系列可提供5種不同封裝：3種工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的8引腳封裝DSO (SOIC)、TSSOP和WSON，以及專為超高功率密度應(yīng)用設(shè)計的小型6引腳封裝SOT23和TSNP。每種封裝類型都可提供不同的峰值電流能力、正向輸入和反向輸入以及專門的欠壓鎖定電平，以滿足不同目標(biāo)應(yīng)用的要求。表1概括列出了可提供的產(chǎn)品和特性。

表1：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x產(chǎn)品系列概覽表

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輸出電壓有源箝位

啟動過程中，VDD引腳上的驅(qū)動器偏置電壓必然上升，如果柵極驅(qū)動IC實現(xiàn)了調(diào)制方案，那么，UVLO保護功能的目的是防止MOSFET以線性模式運行。然而，在通用柵極驅(qū)動IC中，UVLO輸出箝位通常是利用無源箝位電阻來實現(xiàn)的（圖3左圖），因此，UVLO激活時間較長，在諸如微控制器(MCU)和柵極驅(qū)動器由不同電源供電等情況下，這可能導(dǎo)致輸出在被主動驅(qū)動為低電平之前，出現(xiàn)多個有害的V_GS脈沖。

事實上，電阻型無源箝位的激活時間取決于驅(qū)動器內(nèi)部的RC時間常數(shù)，即數(shù)量級為幾μs。在這段較長的激活時間內(nèi)，輸出通常不能正確地箝位到低電平， MOSFET可能會工作在線性區(qū)。

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圖3a：通用RC型無源箝位

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圖3b：新一代EiceDRIVER^TM 2EDN

圖3a和3b：通用RC型無源箝位（上圖）較之于新一代EiceDRIVER^TM 2EDN中實現(xiàn)的輸出電壓有源箝位機制（下圖）

為了克服這個問題，全新EiceDRIVER^TM 2EDN通過引入快速可靠的輸出電壓有源箝位機制，優(yōu)化了輸出級，如圖3右圖所示。有源箝位機制可檢測輸出引腳上的電壓，并使V_GS保持在安全的低電壓狀態(tài)，直到UVLO解除。所以，驅(qū)動器能夠在驅(qū)動器VDD電壓啟動過程中做出更快的反應(yīng)，從而防止在向功率開關(guān)柵極施加低VGS柵極電壓時發(fā)生MOSFET開關(guān)動作。

圖4所示為EiceDRIVER^TM 2EDN輸出電壓有源箝位性能報告。驅(qū)動器VDD電源電壓一經(jīng)達到1.2V，輸出電壓有源箝位機制就會被激活，OUT引腳會在大約20ns激活時間內(nèi)被主動下拉至安全關(guān)斷電平。其反應(yīng)速度比無源箝位機制的RC時間常數(shù)快得多，后者可能需要數(shù)十微秒甚或更長時間。

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圖4a：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x輸出電壓有源箝位

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圖4b：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x輸出電壓有源箝位

圖4a和4b：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x輸出電壓有源箝位

圖5將輸出電壓有源箝位(EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x)的輸出波形與市場上的類似器件在弱上拉條件下的無源箝位輸出波形進行了對比。如圖所示，EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x性能更加可靠，在VDD啟動期間使OUT電壓保持在安全的低電平。

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圖5a：無源箝位電阻

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圖5b：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x有源箝位

圖5a和5b：弱上拉條件下OUT引腳無源箝位和有源箝位

輸出電壓有源箝位機制還可防止當(dāng)開關(guān)節(jié)點處于高dV/dt瞬態(tài)時，流經(jīng)米勒電容C_gd的位移電流導(dǎo)致電壓耦合到V_GS，從而造成MOSFET重新導(dǎo)通。在這種情況下，EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x的輸出級檢測到快速電壓瞬態(tài)，并快速激活有源箝位機制，以在VDD低于UVLO閾值時將柵極保持在安全關(guān)斷狀態(tài)。圖6對這兩種不同的箝位機制進行了對比。

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圖6a：無源箝位電阻

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圖6b：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x有源箝位

圖6a和6b：高dV/dt瞬態(tài)時的無源箝位和有源箝位

在上述所有考慮事項的條件下，快速輸出電壓有源箝位機制可以在短時間內(nèi)使OUTPUT引腳保持在安全的低電壓狀態(tài)，而不會讓開關(guān)柵極暴露于意外的感應(yīng)噪聲和潛在的有害的線性模式運行。

欠壓鎖定啟動時間和靜態(tài)電流消耗

在系統(tǒng)啟動過程中，或從欠壓狀態(tài)恢復(fù)時，驅(qū)動器從UVLO狀態(tài)恢復(fù)所需時間t_START至關(guān)重要。事實上，當(dāng)系統(tǒng)從UVLO狀態(tài)恢復(fù)時，MCU和柵極驅(qū)動IC有不同的電源，MCU會在UVLO解除之前向驅(qū)動器發(fā)送PWM脈沖。在這種情況下，在驅(qū)動器電源電壓升至高于閾值（UVLOON）之前，可能會部分或完全丟失幾個脈沖。

丟失PWM脈沖可能導(dǎo)致開關(guān)不同位置的導(dǎo)通時間不對稱，造成電路參數(shù)不對稱，在最壞情況下還會造成磁性器件磁飽和并產(chǎn)生有害的浪涌電流。UVLO解除時間（t_START）越長，丟失PWM脈沖數(shù)量越多，不對稱性越嚴(yán)重。正因如此，輸出電壓有源箝位機制必須快速準(zhǔn)確地做出反應(yīng)。

市場上大多數(shù)柵極驅(qū)動IC的UVLO啟動時間為5μs或更長。全新EiceDRIVER^TM 2EDN柵極驅(qū)動IC的UVLO啟動時間(tSTART)為1.8μs（典型值），因此，在解除UVLO時僅丟失最少數(shù)量PWM脈沖，從而實現(xiàn)安全的轉(zhuǎn)換器啟動和可靠運行。圖7所示為UVLO恢復(fù)過程中的t_START實測數(shù)據(jù)。

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圖7a：PWM輸入

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圖7b：PWM輸出

圖7a和7b：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x在UVLO恢復(fù)過程中的PWM輸入和驅(qū)動器輸出

與市場上的類似IC相比，新EiceDRIVER^TM 2EDN系列提供了所有所述的改進功能，同時保持較低的靜態(tài)電流，如圖8所示。這有助于降低待機狀態(tài)下的整體靜態(tài)電流消耗，以防在未施加PWM信號的情況下啟用驅(qū)動器。

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圖8：EiceDRIVER^TM 2EDN靜態(tài)電流與其他廠商產(chǎn)品對比

為雙通道低邊驅(qū)動器尺寸樹立新標(biāo)桿

EiceDRIVER^TM 2EDN可提供所有工業(yè)級的8引腳封裝：DSO (SOIC)、TSSOP和無引線WSON。為了助力提高功率密度，英飛凌推出了非常緊湊的6引腳封裝SOT23和TSNP，在某些應(yīng)用中將兩個未使用的ENABLE引腳移除（通過內(nèi)部上拉連接到VDD）或直接短接到VDD。較之于DSO封裝，新的SOT23封裝可以節(jié)省73%的PCB面積，而TSNP封裝則比WSON封裝節(jié)省81%的空間，如下圖所示。

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圖9：新的SOT23封裝和TSNP封裝與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝的尺寸對比

特別是在高功率密度應(yīng)用中，柵極驅(qū)動IC整體尺寸大幅縮小有利于優(yōu)化電路板布線，減小總的占板空間，并且允許將柵極驅(qū)動IC放置在最佳位置，以最大限度地減小柵極驅(qū)動環(huán)路。例如，憑借內(nèi)部高精度計時器，可以將采用TSNP 封裝的EiceDRIVER? 2EDN7534U配置為雙通道并聯(lián)驅(qū)動一個OptiMOS?，使其驅(qū)動能力提升至2倍。將IC直接放置在OptiMOS?的柵極引腳旁邊，最大限度地減少柵極信號振鈴。

全新2EDN小型封裝帶來的好處

得益于封裝尺寸縮小，2EDN柵極驅(qū)動IC非常適于驅(qū)動低邊MOSFET。事實上，兩個輸出級可以重復(fù)用于驅(qū)動高頻變壓器并提供數(shù)百毫瓦功率，以滿足大多數(shù)隔離型偏置電源的要求，為浮柵驅(qū)動器的輸出級供電。

圖10所示為采用SOT23封裝的EiceDRIVER^TM 2EDN7533B用于產(chǎn)生兩個隔離的正壓和負(fù)壓電源的電路布線示例。兩個輸出OUTA和OUTB配置為全橋逆變器，以驅(qū)動具有低繞組間電容的緊湊型高頻變壓器(XT04)。隔離型柵極驅(qū)動IC和偏置電源板(KIT_1EDB_AUX_SiC)尺寸僅為8.5mm x 17.5mm，因而適合放置在高密度高壓功率級中。它可以提供高達1.5W的平均輸出功率，同時保持良好的負(fù)載調(diào)節(jié)。可以獲得不同的輸出正壓和負(fù)壓電源軌，以匹配不同的SiC MOSFET。通過適當(dāng)調(diào)整電路，可以從10V輸入單極電源軌獲得+18V/-1V、+18V/-5V、+15V/-4V和+20V/-3V?？梢圆捎?/span>KIT_1EDB_AUX_GaN示范的方法，將EiceDRIVER^TM 1EDN用于GaN HEMT器件。這個評估板還包括一個可選電路，可使用TL432并聯(lián)穩(wěn)壓器實現(xiàn)1%電壓調(diào)節(jié)。

KIT_1EDB_AUX_SiC評估板的橫截面（圖11）經(jīng)專門設(shè)計，可以焊接到DSO-8單通道隔離型柵極驅(qū)動IC（如EiceDRIVER 1EDB6275F）的封裝上，并像在子母板中那樣用于取代現(xiàn)有的無隔離電源的DSO8驅(qū)動器。

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圖10：為SiC MOSFET提供可配置浮動雙極偏置電源的隔離型柵極驅(qū)動IC (KIT_1EDB_AUX_SiC)

圖11：KIT_1EDB_AUX_SiC，可兼容EiceDRIVER^TM 1EDBxxxxF封裝

總結(jié)

總的來說，本文介紹了英飛凌EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x雙通道低邊柵極驅(qū)動IC的優(yōu)點和優(yōu)化特性。創(chuàng)新特性包括快速輸出電壓有源箝位和更短欠壓鎖定啟動時間，這提高了整體系統(tǒng)的穩(wěn)健性和可靠性。

最重要的是，新一代EiceDRIVER^TM 2EDN產(chǎn)品采用了兩種新型6引腳封裝： SOT23和無引線TSNP，為市場上的封裝尺寸樹立了新的標(biāo)桿。這些新型封裝有助于創(chuàng)新48V DC-DC中間總線轉(zhuǎn)換器（IBC）拓?fù)湓诟咝阅苡嬎阆到y(tǒng)中實現(xiàn)超高功率密度設(shè)計，而不會影響標(biāo)準(zhǔn)2EDN產(chǎn)品的高性能。