|
最小的双通道低边栅极驱动IC
|
为了给诸如人工智能、计算机视觉和机器学习等新兴应用中使用的 GPU 和 CPU 供电，数据中心和计算系统的整体功率水平日益提高。因此，要满足与日俱增的 功率密度 和效率要求，不仅需要对功率开关技术（如 GaN 和 SiC ）和新的拓扑结构进行创新，而且需要进一步优化栅极驱动 IC 。功率半导体的工作频率从数百 kHz 到 MHz 不等，再加上快速开关瞬态，这对栅极驱动电路提出了新的挑战，它必须确保在这些关键型基础设施应用中实现安全可靠的运行。因此，栅极驱动 IC 在保护系统，确保系统稳健运行的同时，还要为提高处理功率起到关键作用。为了支持实现这一点，英飞凌不久前推出了具有 5A 源 / 漏输出电流能力的新一代 双通道 低边栅极驱动 IC 。现在， EiceDRIVER TM 2EDN 产品系列进一步壮大，增加了采用小型引线框架 SOT23 (2.9 x 2.8 mm) 6 引脚封装和超小型无引线 TSNP (1.5 x 1.1 mm) 6 引脚封装的产品。这些新封装型号有助于实现灵活布局、缩小占板空间并进一步优化栅极驱动环路，以便为高 功率密度 应用提供更出色的开关性能。图 1 以行业标准 SMD 电阻器为参考，直观地展示了采用超小型 TSNP 封装的全新 EiceDRIVER TM 2EDN7534U 的尺寸，如图所示，其占板空间与 0603 电阻器差不多。 ?
本文引用地址： http://www.eepw.com.cn/article/202312/454339.htm 图 1 ：占板空间对比：采用 TSNP 封装的 EiceDRIVER TM 2EDN7534U 较之于 SMD 电阻器
除提供多个封装选项之外，新的 EiceDRIVER TM 2EDN 产品系列还具备一个经优化的输出级，可实现驱动电压有源箝位、更短欠压锁定（ UVLO ）启动时间和更低电流消耗。不仅如此，高精度传播延迟允许两路并行输出，可将电流能力提高至两倍，并最大限度地减少死区时间损耗，从而达到很高系统效率。图 2 （右图）显示了一个通过实现两路并行输出获益匪浅的应用示例：混合开关电容转换器 (HSC) 中的同步整流级通常在没有栅极电阻器的情况下运行，以实现最快开关瞬态。使用 EiceDRIVER TM 2EDNxx3x 产品的另一个应用示例是服务器 SMPS 中典型的中心抽头整流器，如图 2 所示。全新 EiceDRIVER TM 2EDN7534B 采用 SOT23 封装，其性能与其他采用行业标准封装（ DSO 和 TSSOP ）的产品一样，但占用的 PCB 面积更小，这一点在空间受限的设计中尤为重要。
?
?
图 2a ： CT 整流器
?
图 2b ： HSC 拓扑中的 SR
图 2a 和 2b ：全新 EiceDRIVER? 2EDN7534 产品的应用示例 ????
产品系列概况
EiceDRIVER TM 2EDNxx3x 产品系列可提供 5 种不同封装： 3 种工业级标准的 8 引脚封装 DSO (SOIC) 、 TSSOP 和 WSON ，以及专为超高 功率密度 应用设计的小型 6 引脚封装 SOT23 和 TSNP 。每种封装类型都可提供不同的峰值电流能力、正向输入和反向输入以及专门的欠压锁定电平，以满足不同目标应用的要求。表 1 概括列出了可提供的产品和特性。
表 1 ： EiceDRIVER TM 2EDNxx3x 产品系列概览表
?
输出电压有源箝位
启动过程中， VDD 引脚上的驱动器偏置电压必然上升，如果栅极驱动 IC 实现了调制方案，那么， UVLO 保护功能的目的是防止 MOSFET 以线性模式运行。然而，在通用栅极驱动 IC 中， UVLO 输出箝位通常是利用无源箝位电阻来实现的（图 3 左图），因此， UVLO 激活时间较长，在诸如微控制器 (MCU) 和栅极驱动器由不同电源供电等情况下，这可能导致输出在被主动驱动为低电平之前，出现多个有害的 V GS 脉冲。
事实上，电阻型无源箝位的激活时间取决于驱动器内部的 RC 时间常数，即数量级为几 ?s 。在这段较长的激活时间内，输出通常不能正确地箝位到低电平， MOSFET 可能会工作在线性区。
?
图 3a ：通用 RC 型无源箝位
?
图 3b ：新一代 EiceDRIVER TM 2EDN
图 3a 和 3b ：通用 RC 型无源箝位（上图）较之于新一代 EiceDRIVER TM 2EDN 中实现的输出电压有源箝位机制（下图）
为了克服这个问题，全新 EiceDRIVER TM 2EDN 通过引入快速可靠的输出电压有源箝位机制，优化了输出级，如图 3 右图所示。有源箝位机制可检测输出引脚上的电压，并使 V GS 保持在安全的低电压状态，直到 UVLO 解除。所以，驱动器能够在驱动器 VDD 电压启动过程中做出更快的反应，从而防止在向功率开关栅极施加低 VGS 栅极电压时发生 MOSFET 开关动作。
图 4 所示为 EiceDRIVER TM 2EDN 输出电压有源箝位性能报告。驱动器 VDD 电源电压一经达到 1.2V ，输出电压有源箝位机制就会被激活， OUT 引脚会在大约 20ns 激活时间内被主动下拉至安全关断电平。其反应速度比无源箝位机制的 RC 时间常数快得多，后者可能需要数十微秒甚或更长时间。
?
图 4a ： EiceDRIVER TM 2EDNxx3x 输出电压有源箝位
?
图 4b ： EiceDRIVER TM 2EDNxx3x 输出电压有源箝位
图 4a 和 4b ： EiceDRIVER TM 2EDNxx3x 输出电压有源箝位
图 5 将输出电压有源箝位 (EiceDRIVER TM 2EDNxx3x) 的输出波形与市场上的类似器件在弱上拉条件下的无源箝位输出波形进行了对比。如图所示， EiceDRIVER TM 2EDNxx3x 性能更加可靠，在 VDD 启动期间使 OUT 电压保持在安全的低电平。
?
图 5a ：无源箝位电阻
?
图 5b ： EiceDRIVER TM 2EDNxx3x 有源箝位
图 5a 和 5b ：弱上拉条件下 OUT 引脚无源箝位和有源箝位
输出电压有源箝位机制还可防止当开关节点处于高 dV/dt 瞬态时，流经米勒电容 C gd 的位移电流导致电压耦合到 V GS ，从而造成 MOSFET 重新导通。在这种情况下， EiceDRIVER TM 2EDNxx3x 的输出级检测到快速电压瞬态，并快速激活有源箝位机制，以在 VDD 低于 UVLO 阈值时将栅极保持在安全关断状态。图 6 对这两种不同的箝位机制进行了对比。
图 6a ：无源箝位电阻
图 6b ： EiceDRIVER TM 2EDNxx3x 有源箝位
图 6a 和 6b ：高 dV/dt 瞬态时的无源箝位和有源箝位
在上述所有考虑事项的条件下，快速输出电压有源箝位机制可以在短时间内使 OUTPUT 引脚保持在安全的低电压状态，而不会让开关栅极暴露于意外的感应噪声和潜在的有害的线性模式运行。
?
欠压锁定启动时间和静态电流消耗
在系统启动过程中，或从欠压状态恢复时，驱动器从 UVLO 状态恢复所需时间 t START 至关重要。事实上，当系统从 UVLO 状态恢复时， MCU 和栅极驱动 IC 有不同的电源， MCU 会在 UVLO 解除之前向驱动器发送 PWM 脉冲。在这种情况下，在驱动器电源电压升至高于阈值（ UVLOON ）之前，可能会部分或完全丢失几个脉冲。
丢失 PWM 脉冲可能导致开关不同位置的导通时间不对称，造成电路参数不对称，在最坏情况下还会造成磁性器件磁饱和并产生有害的浪涌电流。 UVLO 解除时间（ t START ）越长，丢失 PWM 脉冲数量越多，不对称性越严重。正因如此，输出电压有源箝位机制必须快速准确地做出反应。
市场上大多数栅极驱动 IC 的 UVLO 启动时间为 5?s 或更长。全新 EiceDRIVER TM 2EDN 栅极驱动 IC 的 UVLO 启动时间 (tSTART) 为 1.8?s （典型值），因此，在解除 UVLO 时仅丢失最少数量 PWM 脉冲，从而实现安全的转换器启动和可靠运行。图 7 所示为 UVLO 恢复过程中的 t START 实测数据。
?
图 7a ： PWM 输入
?
图 7b ： PWM 输出
图 7a 和 7b ： EiceDRIVER TM 2EDNxx3x 在 UVLO 恢复过程中的 PWM 输入和驱动器输出
与市场上的类似 IC 相比，新 EiceDRIVER TM 2EDN 系列提供了所有所述的改进功能，同时保持较低的静态电流，如图 8 所示。这有助于降低待机状态下的整体静态电流消耗，以防在未施加 PWM 信号的情况下启用驱动器。
?
图 8 ： EiceDRIVER TM 2EDN 静态电流与其他厂商产品对比
?
为 双通道 低边驱动器尺寸树立新标杆
EiceDRIVER TM 2EDN 可提供所有工业级的 8 引脚封装： DSO (SOIC) 、 TSSOP 和无引线 WSON 。为了助力提高功率密度，英飞凌推出了非常紧凑的 6 引脚封装 SOT23 和 TSNP ，在某些应用中将两个未使用的 ENABLE 引脚移除（通过内部上拉连接到 VDD ）或直接短接到 VDD 。较之于 DSO 封装，新的 SOT23 封装可以节省 73% 的 PCB 面积，而 TSNP 封装则比 WSON 封装节省 81% 的空间，如下图所示。
?
图 9 ：新的 SOT23 封装和 TSNP 封装与行业标准封装的尺寸对比
特别是在高功率密度应用中，栅极驱动 IC 整体尺寸大幅缩小有利于优化电路板布线，减小总的占板空间，并且允许将栅极驱动 IC 放置在最佳位置，以最大限度地减小栅极驱动环路。例如，凭借内部高精度计时器，可以将采用 TSNP 封装的 EiceDRIVER? 2EDN7534U 配置为 双通道 并联驱动一个 OptiMOS? ，使其驱动能力提升至 2 倍。将 IC 直接放置在 OptiMOS? 的栅极引脚旁边，最大限度地减少栅极信号振铃。
全新 2EDN 小型封装带来的好处
得益于封装尺寸缩小， 2EDN 栅极驱动 IC 非常适于驱动低边 MOSFET 。事实上，两个输出级可以重复用于驱动高频变压器并提供数百毫瓦功率，以满足大多数隔离型偏置电源的要求，为浮栅驱动器的输出级供电。
图 10 所示为采用 SOT23 封装的 EiceDRIVER TM 2EDN7533B 用于产生两个隔离的正压和负压电源的电路布线示例。两个输出 OUTA 和 OUTB 配置为全桥逆变器，以驱动具有低绕组间电容的紧凑型高频变压器 (XT04) 。隔离型栅极驱动 IC 和偏置电源板 (KIT_1EDB_AUX_SiC) 尺寸仅为 8.5mm x 17.5mm ，因而适合放置在高密度高压功率级中。它可以提供高达 1.5W 的平均输出功率，同时保持良好的负载调节。可以获得不同的输出正压和负压电源轨，以匹配不同的 SiC MOSFET 。通过适当调整电路，可以从 10V 输入单极电源轨获得 +18V/-1V 、 +18V/-5V 、 +15V/-4V 和 +20V/-3V 。可以采用 KIT_1EDB_AUX_GaN 示范的方法，将 EiceDRIVER TM 1EDN 用于 GaN HEMT 器件。这个评估板还包括一个可选电路，可使用 TL432 并联稳压器实现 1% 电压调节。
KIT_1EDB_AUX_SiC 评估板的横截面（图 11 ）经专门设计，可以焊接到 DSO-8 单通道隔离型栅极驱动 IC （如 EiceDRIVER 1EDB6275F ）的封装上，并像在子母板中那样用于取代现有的无隔离电源的 DSO8 驱动器。
?
图 10 ：为 SiC MOSFET 提供可配置浮动双极偏置电源的隔离型栅极驱动 IC (KIT_1EDB_AUX_SiC)
图 11 ： KIT_1EDB_AUX_SiC ，可兼容 EiceDRIVER TM 1EDBxxxxF 封装
?
总结
总的来说，本文介绍了英飞凌 EiceDRIVER TM 2EDNxx3x 双通道低边栅极驱动 IC 的优点和优化特性。创新特性包括快速输出电压有源箝位和更短欠压锁定启动时间，这提高了整体系统的稳健性和可靠性。
最重要的是，新一代 EiceDRIVER TM 2EDN 产品采用了两种新型 6 引脚封装： SOT23 和无引线 TSNP ，为市场上的封装尺寸树立了新的标杆。这些新型封装有助于创新 48V DC-DC 中间总线转换器（ IBC ）拓扑在高性能计算系统中实现超高功率密度设计，而不会影响标准 2EDN 产品的高性能。
总之， EiceDRIVER TM 2EDN 产品搭配英飞凌 MOSFET ，可以助推高功率应用实现更高功率密度，同时保持设计灵活性以及带独立栅极驱动器和开关的分立式解决方案的可扩展性。
文：英飞凌科技资深系统应用工程师 Antonello Laneve ，首席产品应用工程师 Walter Balzarotti 和隔离型 IC 技术营销主管 Diogo Varajao 博士
校对：英飞凌科技高级主任工程师 陈杰 .
|
|
From：
|
|
|
系统抽取对象
|
机构
|
(1)
|
|
(1)
|
|
系统抽取主题
|
|
(1)
|
|
(1)
|
|
(1)
|
|
(1)
|
|
(1)
|
|
(1)
|
|
(1)
|
|
(1)
|
|
(1)
|
|
(1)
|
|