用集成MOSFET解決方案取代 BJT

1、前言

壽司很棒。它將新鮮、令人滿意的味道包裝在一個(gè)小包裝中，融合了幾種成分的微妙之處，使之與眾不同。它讓我想起了理想的電源：小型、高效的階段集合，可產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)驚人產(chǎn)品的動(dòng)力。

在這個(gè)類比中，功率因數(shù)校正 (PFC) 階段就像好壽司中的米飯。正如大米創(chuàng)造了一個(gè)讓其他成分發(fā)光的基礎(chǔ)，PFC 階段可以讓其他成分為最終產(chǎn)品提供動(dòng)力。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 對(duì) PFC 控制器輸出信號(hào)變化的響應(yīng)對(duì) PFC 級(jí)至關(guān)重要。為了使時(shí)序正確，柵極驅(qū)動(dòng)電路必須僅在應(yīng)有的時(shí)候切換 FET。

包括圖 1 中常見的雙極圖騰柱。

圖 1：雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 圖騰柱柵極驅(qū)動(dòng)電路

我們可以使用圖 1 中的配置將 3A 至 6A 電流有效地驅(qū)動(dòng)到 MOSFET 柵極，但柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路 (IC) 可以糾正一些缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)與電路板空間、系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性、抗噪性和熱保護(hù)。

2.電路板空間和系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性

需要柵極驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)常見位置是 PFC 級(jí)。在圖 2 所示的具有電平轉(zhuǎn)換的 PFC 解決方案的示例布局中，該設(shè)計(jì)需要 17 個(gè)分立元件和 0.84in 2  (或 542mm 2 ) 的印刷電路板 (PCB) 空間。

圖 2：僅采用分立元件的 PFC 解決方案

使用諸如UCC27517 之類的柵極驅(qū)動(dòng)器 IC（圖 3）來驅(qū)動(dòng) MOSFET 柵極的相同設(shè)計(jì)總共只需要五個(gè)組件，并且僅占用 0.33in 2（或 212mm 2）的 PCB 空間。

圖 3：使用 UCC27517 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器的 PFC 解決方案

除了電路板空間的減少之外，分立元件的減少使我們能夠花費(fèi)更少的時(shí)間和精力來確保正確的開關(guān)時(shí)序。

抗噪能力

在理想情況下，我們的 PFC 控制器的柵極驅(qū)動(dòng)輸出將是一個(gè)完美的方波。但由于每個(gè) PFC 設(shè)計(jì)中都存在寄生元件，開關(guān)時(shí)幾乎總是會(huì)引入噪聲，導(dǎo)致生成的波形如圖 4 所示。

圖 4：PFC 控制器輸出波形示例

請(qǐng)注意邏輯電平切換時(shí)信號(hào)中的振蕩，這可能比我們在圖 4 中看到的要大得多。 為了設(shè)計(jì)最高效的 PFC 電路，我們希望 MOSFET 僅在我們希望的時(shí)候切換，以便最終輸出盡可能平滑的正弦電流波形。因此，對(duì)于我們的柵極驅(qū)動(dòng)電路來說，具有足夠大的輸入遲滯（輸入信號(hào)高閾值和低閾值之間的差異）非常重要，以便在出現(xiàn)這種噪聲時(shí) MOSFET 不會(huì)切換。

在分立解決方案中，如果輸入電壓大于 0.7V，電流將被驅(qū)動(dòng)到 MOSFET 柵極，這意味著滯后非常小。相比之下，集成驅(qū)動(dòng)器 IC 不會(huì)切換輸出邏輯電平，除非輸入電壓分別達(dá)到顯著低于或高于邏輯輸入高電平和低電平的值，從而保護(hù)我們的系統(tǒng)免受輸入噪聲的負(fù)面影響。 

3.熱保護(hù) 

在設(shè)計(jì)電源時(shí)，有時(shí)會(huì)忘記平穩(wěn)上電和斷電，但這兩者對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期健康至關(guān)重要。使用分立解決方案時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)輸出可能隨時(shí)出現(xiàn)，即使驅(qū)動(dòng)到柵極的電壓不夠高。當(dāng)在沒有伴隨電壓的情況下將高電流驅(qū)動(dòng)到 FET 柵極時(shí)，會(huì)在 FET 上消耗過多的功率，從而導(dǎo)致過熱和潛在的損壞。

相比之下，許多低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 具有欠壓鎖定 (UVLO) 保護(hù)功能，這意味著柵極驅(qū)動(dòng)器輸出被禁用，直到它被提供必要的電壓，從而保護(hù)我們的系統(tǒng)免受熱損壞。

成為壽司廚師長(zhǎng)（或 itamae）需要多年的培訓(xùn)，雖然這似乎不是工藝中最重要的部分，但制作具有理想形狀和一致性的大米以制作優(yōu)質(zhì)壽司的能力對(duì)于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)至關(guān)重要地位。就像 itamaes 在大米中投入的時(shí)間和精力一樣，柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量時(shí)間制作用于驅(qū)動(dòng) MOSFET 柵極的優(yōu)質(zhì)器件。

考慮到這一點(diǎn)，在選擇解決方案設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)考慮柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 相對(duì)于其分立器件的性能優(yōu)勢(shì)。