在描述高速運行的數(shù)字系統(tǒng)時，噪聲容限是最重要的參數(shù)之一。通常情況下，噪聲容限定義了 I/O 引腳上或接口中可接受的噪聲水平。在數(shù)字電子技術領域，噪聲容限是指 I/O 引腳上出現(xiàn)但不會導致接收邏輯狀態(tài)出錯的噪聲水平。這個值在時域中經(jīng)常調(diào)用，用于測量比特誤碼率。

摘要

半橋拓撲結構廣泛用于各種商業(yè)和工業(yè)應用的電源轉換器件中。這種開關模式配置的核心是柵極驅動器IC，其主要功能是使用脈寬調(diào)制信號向高端和低端MOSFET功率開關提供干凈的電平轉換信號。

本文重點介紹了工程師在為應用選擇柵極驅動器IC時應考慮的關鍵因素。除了基本的電壓和電流額定值之外，本文還說明了高共模瞬變抗擾度的重要性和可調(diào)死區(qū)時間的必要性。某些用例要求將柵極驅動器IC與MOSFET進行電氣隔離，文中通過一個簡單的參考設計展示了這種浮地方法。

簡介

電源轉換是當今幾乎所有電子設計的核心功能。理想情況下，將直流電壓（例如9 V）轉換為另一個電平（例如24 V）的過程應盡可能高效，損耗應盡可能小。為了應對各種應用的不同電壓、電流和功率密度需求，工程師開發(fā)了多種電路架構（也就是拓撲）。對于DC-DC電源轉換，可以使用降壓、升壓、降壓-升壓、半橋和全橋拓撲結構。此外還得考慮輸出是否需要與輸入電壓進行電氣隔離，由此便可將轉換方法分為兩類，即非隔離式和隔離式。

對于高電壓和大電流用例，例如電機控制和太陽能逆變器，半橋和全橋DC-DC轉換技術是主流選擇。

半橋電源轉換

半橋結構采用開關模式方法來提高或降低直流輸入電壓。該結構使用兩個開關器件（通常是MOSFET或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)）將電壓輸入轉換給變壓器（隔離式）或直接轉換給負載（非隔離式）。柵極驅動器IC負責從控制器IC接收脈寬調(diào)制(PWM)信號。該器件將信號放大并轉換為迅速接通或斷開MOSFET功率開關（即高端和低端）所需的電平，以便盡可能降低功率損耗，提高轉換器的效率。為應用選擇合適的柵極驅動器IC，需綜合考慮轉換器拓撲結構、電壓、電流額定值和開關頻率等因素。選擇具有精確、高效開關特性的柵極驅動器，對于實現(xiàn)最佳轉換效率至關重要。

選擇柵極驅動器IC

選擇柵極驅動器IC時，工程師必須考慮若干關鍵因素。其中一些因素可能與具體應用有關，比如在太陽能轉換應用中，柵極驅動器可能會遇到各種各樣的輸入電壓和功率需求。

? 高端電壓：根據(jù)具體應用，高端MOSFET將承受全部電源電壓，為此，柵極驅動器必須具有較高的安全裕度。

? 共模瞬變抗擾度(CMTI)：快速開關操作會產(chǎn)生高噪聲電平，并且高端和低端MOSFET之間的電壓差可能較高，因此選擇具有高瞬態(tài)抗擾度特性的柵極驅動器至關重要。

? 峰值驅動電流：對于較高功率的設計，柵極驅動器需要向MOSFET提供高峰值電流，以便對柵極電容快速充電和放電。

? 死區(qū)時間：為了防止MOSFET因同時導通而被擊穿，半橋電路的高端和低端開關之間須設置短暫的死區(qū)時間，這非常關鍵。強烈建議選擇可配置死區(qū)時間的柵極驅動器，以實現(xiàn)更佳效率。有些柵極驅動器包含默認死區(qū)時間，以防止擊穿故障。

帶浮地和可調(diào)死區(qū)時間的半橋驅動器

LTC7063是半橋柵極驅動器的一個實例，適合用在工業(yè)、汽車和電信電源系統(tǒng)領域的各種高電壓和大電流應用。該器件是一款高壓柵極驅動器，設計用于驅動半橋配置的N溝道MOSFET，輸入電源電壓最高可達140 V。該IC具有強大的驅動器，能夠對通常與高壓MOSFET相關的大柵極電容進行快速充電和放電。此外，自適應擊穿保護特性會監(jiān)控開關節(jié)點的電壓，并控制驅動器輸出，以防止MOSFET同時導通。這一關鍵特性能夠防止電流擊穿，并有助于提高電源效率。

LTC7063的高端和低端MOSFET驅動器均浮空，IC和輸出地之間的接地偏移最高可達10 V。這種浮地架構使驅動器輸出更加穩(wěn)健，并且對接地偏移、噪聲和瞬變不太敏感。浮地功能使該器件成為遠程MOSFET控制應用以及高電壓、大電流開關電容轉換器的出色選擇。

LTC7063的安全和保護特性包括熱關斷、輸入欠壓和過壓保護電路，以及用于高端和低端MOSFET驅動器的欠壓保護電路，可幫助確保任何半橋應用的長期可靠性和穩(wěn)健性。

為了高效傳熱，這些柵極驅動器采用散熱增強型裸露焊盤封裝。

基于LTC7063的降壓轉換器應用（帶遠端負載）

圖1為采用LTC7063設計的2:1降壓轉換器（帶遠端負載）。器件采用高達80 V的輸入電源供電，輸出電壓為? VIN，最大負載為5 A。PWM引腳從外部控制器接收三態(tài)邏輯信號，當PWM信號達到上升閾值以上時，高端MOSFET的柵極被驅動至高電平。低端MOSFET與高端MOSFET實現(xiàn)互補驅動。輸入信號上升閾值與下降閾值之間的滯回解決了MOSFET的誤觸發(fā)問題。在輸入信號的滯回間隔時間內(nèi)，高端和低端MOSFET均被拉低。當使能(EN)引腳為高電平時，頂柵(TG)和底柵(BG)輸出均對應輸入PWM信號；通過將EN引腳拉至低電平，TG和BG輸出均被拉低。

BST-SW和BGVCC-BGRTN電源自舉確保高端和低端驅動器高效運行，而無需任何額外的隔離電源電壓，進而能夠減少電路板上的元件數(shù)量并降低成本。控制波形和平均輸出電壓結果如圖2所示。


圖1.帶遠端負載的降壓電源轉換器

圖2.PWM、TG-SW、BGVCC-BGRTN和VOUT波形

TG和BG之間的死區(qū)時間較短，在DG引腳和地之間添加一個電阻可以加快BG/TG上升速度。將死區(qū)時間(DT)引腳短接至地時，此轉變的默認死區(qū)時間為32 ns，而將DT引腳浮空時，死區(qū)時間可延長至最大250 ns。該可編程死區(qū)時間特性能夠為高壓應用提供更穩(wěn)健的擊穿保護。

為了實現(xiàn)更高效率，盡可能降低開關損耗非常重要。高端和低端MOSFET驅動器的1.5 Ω上拉電阻和0.8 Ω下拉電阻快速接通或斷開開關，防止電流交叉?zhèn)鲗?，從而提高效率。圖3和圖4顯示了導通和關斷之間的開關轉換以及死區(qū)時間。

圖3.BG下降至TG上升的轉變

表1.LTC706x系列產(chǎn)品

圖4.TG下降至BG上升的轉變

故障(FLT)引腳為開漏輸出，當LTC7063的結溫達到180℃時，器件內(nèi)部會將該引腳拉低。當VCC的電源電壓低于5.3 V或高于14.6 V時，該引腳也會被拉低。對于圖1所示的應用，低于3.3 V的BGVCC-BGRTN和BST-SW浮空電壓會觸發(fā)故障條件并將FLT引腳拉低。一旦所有故障都清除，經(jīng)過100 μs的延遲后，F(xiàn)LT引腳將被外部電阻拉高。

表1列舉了LTC706x系列中的其他產(chǎn)品，它們具有與LTC7063類似的特性。