随着5G通信与新能源车的普及,人们对高效率电源的需求越来越多。而提升电源转换效率的关键因素就在于开关电源中的功率部分。

 

许多高性能、高频率的PWM控制芯片,无论是数字类型还是模拟类型,都不具备或只有有限的直接驱动功率MOSFET的能力。因为功率MOSFET对栅极驱动电流有较高的要求,驱动芯片就相当于PWM开关控制芯片与功率MOSFET之间的桥梁,用来将开关信号电流和电压放大,同时具备一定的故障隔离能力。一旦确定了选用某种开关电源方案后,接下来就要选择合适的驱动IC,而选好驱动芯片,就需要硬件工程师对电路特性有一定的了解。

 

 

以典型的AC/DC开关电源系统为例,PFC部分采用无桥升压拓扑,可选用一颗NSD1025同时驱动两路开关MOSFET,LLC的原边可用一颗半桥隔离驱动芯片NSi6602同时驱动上下桥臂MOSFET,副边用一颗NSD1025驱动全波同步整流MOSFET。选用高速高可靠性的驱动IC,可以帮助电源系统提升效率和功率密度。

 

由于开关电源经常需要硬开关驱动大功率负载,在硬开关以及布局限制的情况下,功率MOSFET往往会对驱动芯片的输入和输出端形成较大的地弹电压和振荡尖峰电压。地弹电压会造成驱动器输入端等效出现负电压,因为内部等效体二极管,大多数栅极驱动器能够承受一定的负压脉冲。然而,亦有必要采取预防措施,以防止驱动器输入端的过冲和欠压尖峰过大,而对驱动芯片造成损坏,或产生误动作。


驱动输入端负压尖峰的形成原因

仍以PFC拓扑为例,低边驱动器用在控制芯片与功率MOSFET之间,以帮助减小开关损耗,并为MOSFET提供足够的驱动电流,以跨过米勒平台区域,实现快速打开。在开关MOSFET的时候,有一个高di/dt的脉冲产生,这种快速变化与寄生电感共同作用,产生了负电压峰值,可以用Vn = Lss* di/dt公式估算。Lss代表寄生电感。寄生电感值约等于功率MOSFET的内部键合线和PCB回线接地回路中的电感量之和,其值可以从几nH至十几nH不等,寄生电感大小主要取决于PCB布局布线。

 

从上面等式可以看出,负向电压与寄生电感和电流变化率均成正比。在典型的低边栅极驱动电路中,虽然控制器和功率MOSFET使用同一个直流地平面作为参考,但一些情况下,由于驱动器和控制器有一定距离,所以总会存在寄生电感。高di/dt的电流在流经MOSFET及其板级回路时,寄生电感存在会导致驱动器的地电位相对于控制器地电位瞬间抬升,驱动器的输入和地之间就相当于出现一个瞬间负压。在极端情况下,可能造成驱动器内部输入ESD器件受损,驱动器出现失效。

 

 

另一个常见的出现输入负压的场景与对MOSFET进行电流采样相关。为了实现更精确的控制,有时在功率MOSFET和大地之间会接一个采样电阻,用这个采样电阻来检测流过MOSFET的电流,从而使控制器能快速做出响应。而为了使MOSFET的驱动环路足够小,会将驱动器的GND引脚与MOSFET的源极连接在一起,而控制芯片的GND与真正的地平面在一起,这样驱动器的GND和控制芯片GND之间就会存在一个偏置电压,因此控制芯片输出低电平时,相对于驱动器的输入端,则有一个负向的偏置电压。

 

 

如何应对输入端负压

对于寄生电感引起的输入瞬间负压,一般有三种应对方案。首先,可以通过减小开关速度来降低影响,减小开关速度能降低电流变化速率di/dt,瞬间负压幅度也就会下降。但这样处理有副作用,降低开关速度就会增加转换时间,所以会增加开关损耗,而在一些应用中如果对响应时间有要求,降低开关速度的方法就未必适合。

 

第二种方法是尽可能优化PCB布局布线,减小寄生参数,从而减小负压峰值,这是系统设计中常见的方法,但需要硬件工程师有非常丰富的设计经验,而在一些设计条件限制下,也可能无法优化PCB布局布线

 

第三种方法是选择抗干扰能力强的器件,例如纳芯微电子新推出的同相双通道高速栅极驱动器NSD1025。NSD1025通过优化输入端的ESD结构,能够承受最大-10V的输入电压,相比其他竞品驱动,NSD1025更能应对常见应用场景的瞬态负脉冲,有更好的可靠性。

 

经验丰富的工程师通常会同时考虑三种抗扰方案,然后根据应用约束来达到最优选择。但选择抗干扰能力强的器件,无疑能为整个系统的设计带来更多的容错空间与选择余地,所以也就成为工程师在系统设计时候的第一步。

 

除了耐受负压能力强,NSD1025还提供欠压锁定功能,保持输出低电平直到电源电压进入工作范围内,而高低阈值之间的迟滞功能也提供了更出色的抗干扰能力。非常适合电源系统、电机控制器、线性驱动器和GaN等宽带隙功率器件驱动等应用场景。

 

 

在NSD1025之后,纳芯微还将推出600V高低边驱动器,以及专为GaN设计的600V高低边驱动芯片。可为工程师在工业电源、电机驱动等应用中的抗干扰设计,带来更好的解决方案。