FAN3XXX系列高速低端MOSFET驅(qū)動器概述

FAN3XXX系列是飛兆公司（FAIRCHILD）2007年10月推出的新產(chǎn)品，是一種高速低端MOSFET驅(qū)動器系列。該系列各種驅(qū)動器與PWM控制器及功率MOSFET組合可設(shè)計(jì)出各種高頻、大功率開關(guān)電源。根據(jù)驅(qū)動器的通道數(shù)、輸出電流大小，有不同的封裝及型號，可滿足各種開關(guān)電源的大小結(jié)構(gòu)及不同輸出功率的需要，如表1所示。

表1 FAN3XXX型號列表

主要特點(diǎn)

FAN3XXX系列主要特點(diǎn)：

1 速度高

FAN3XXX在2.2nF負(fù)載時，輸入90%到輸出10%的時間小于35nS。在傳播延遲上比很多競爭者要快。

2 兩通道間緊密匹配

FAN3224在4.7nF負(fù)載時，在兩通道間的差別測量值小于0.5nS（典型值）。兩通道并聯(lián)時有極好的性能。

3 輸入結(jié)構(gòu)

FAN3XXX系列有單輸入驅(qū)動器及雙輸入驅(qū)動器，應(yīng)用十分靈活。單輸入結(jié)構(gòu)如圖1所示。例如FAN322X雙驅(qū)動器，每一通道都有使能端（EN），另一輸入端輸入反相或同相邏輯。

圖1 單輸入結(jié)構(gòu)

雙輸入結(jié)構(gòu)如圖2所示。同相工作時將IN-端接L，使用IN+輸入；反相工作時將IN+接H，使用IN-輸入。其真值表如表2所示。

圖2 雙輸入結(jié)構(gòu)

FAN3100用作同相驅(qū)動器時接法如圖3所示，其輸入及輸出波形如圖4所示。從圖中可看出：在VDD低于欠壓鎖存（UVL0）閾值時，無輸出，只有VDD大于欠壓鎖存閾值電壓時才有輸出。

圖3  FAN3100做同相驅(qū)動器的接法

圖4  FAN3100做同相驅(qū)動器的輸入/輸出波形

FAN3100用作反相驅(qū)動器時接法如圖5所示，其輸入及輸出波形如圖6所示。

圖5 FAN3100做同相驅(qū)動器的接法

圖6 FAN3100做同相驅(qū)動器的輸入/輸出波形

4 CMOS或TTL邏輯電壓兼容

FAN3XXX系列的各型號的輸入信號是CMOS或TTL邏輯電壓兼容，使設(shè)計(jì)更容易。在TTL電壓輸入時，其高電壓≥2.0V；低電壓≤0.8V。CMOS輸入閾值與VDD有關(guān)，高電壓≈0.6VDD；低電壓≈0.4VDD。

5 封裝尺寸小

在業(yè)界中FAN3XXX系列封裝尺寸是最小的。2A驅(qū)動器采用2mm×2mm的MLP-6封裝；4A驅(qū)動器采用3mm×3mm的MLP-8封裝。另外，它也有SOLC及SOT標(biāo)準(zhǔn)封裝。各種封裝的尺寸如圖7所示。

圖7 FAN3XXX的封裝

6 工作電壓范圍寬，其VDD極限值為20V。

典型應(yīng)用電路

FAN3XXX系列MOSFET驅(qū)動器與PWM控制器及功率MOSFET可以組成各種不同結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源。圖8是一種采用2個FAN3100 MOSFET驅(qū)動器（IC1、IC2）及3個功率MOSFET（Q1～Q3）組成的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器電路（圖中未畫出PWM控制器，僅畫出PWM控制器輸出的PWM信號）。

圖8 隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器電路

在圖8中，IC1的IN-接地組成同相驅(qū)動電路，輸出的PWM信號經(jīng)驅(qū)動器后驅(qū)動開關(guān)器Q1，Q1的負(fù)載是高頻變壓器T1的原邊線圈，高頻變壓器副邊得電。PWM控制器輸出的PWM信號同時輸入到高頻變壓器T2，經(jīng)T2隔離后的PWM信號加到IC2的IN-端（IC2的IN+接地，組成反相驅(qū)動器），驅(qū)動器IC2的輸出去控制變壓器副邊的MOSFET Q3（Q3作同步整流器）。

在T1副邊上+下-時，Q2導(dǎo)通、Q3截止，電壓經(jīng)電感L1、COUT及負(fù)載供電，經(jīng)Q2形成回路。在T1副邊上-下+時，Q2截止，IC2輸出的高電壓使Q3導(dǎo)通。L1儲存的能量向負(fù)載釋放，經(jīng)Q3形成回路，其工作狀態(tài)如圖9所示。這種同步整流的結(jié)構(gòu)具有較高的轉(zhuǎn)換效率。

圖9 工作狀態(tài)

圖8僅畫出驅(qū)動開關(guān)器Q1及驅(qū)動同步整流器Q3的部分電路。要輸出電壓穩(wěn)定還需要將輸出電壓經(jīng)光電耦合器隔離反饋到PWM控制器，改變輸出脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓，這部分電路未在圖8中畫出。

驅(qū)動器電流參數(shù)的選擇

FAN3XXX系列低端MOSFET驅(qū)動器IC使用較方便、電路簡單，在開關(guān)電源設(shè)計(jì)時主要是選擇其電流參數(shù)。這里先介紹一下為什么MOSFET在工作時需要這樣大的電流？

MOSFET是一種柵極電壓控制漏極電流的器件，在低端MOSFET中以地為基準(zhǔn)，其漏極電流I_D由柵極電壓V_G大小來決定（或V_GS大小來決定）。VGS越大,則I_D越大，如圖10C所示。這好像與電流沒有關(guān)系。但在柵極電壓建立的過程中，由于在柵極與源極之間存在極間電容C_GS（如圖10a所示），驅(qū)動器需要提供電流向C_GS充電，充電電流為I_GS（如圖10b所示）。當(dāng)要求MOSFET導(dǎo)通時間很快，則要求充電電流很大。同樣，在MOSFET要求很快關(guān)斷時，C_GS上的電荷要很快通過驅(qū)動器放掉，也會形成很大的放電電流。C_GS的容量越大、要求MOSFET的開關(guān)速度越高，則在導(dǎo)通及關(guān)斷過程中的充、放電流越大，這種充放電電流可達(dá)幾A。

圖10a MOSFET中的柵源電容

圖10b MOSFET中的充電電流

圖10C MOSFET的VGS

在功率MOSFET選定后，在數(shù)據(jù)資料（data sheet）中可找到總的柵極電荷Q_G值，按Q_G=C_GS×V_DD，求出C_GS值。為滿足電源的高頻開關(guān)要求，盡可能選擇Q_G小的MOSFET，不僅可滿足高頻開關(guān)要求，并且使驅(qū)動器功耗也較小。C_GS值與MOSFET的輸出漏極電流I_D大小及其耐壓大小有關(guān)，一般為幾十nC到一百多nC。

表3給出各種不同QG條件時，在不同驅(qū)動器電流時的開關(guān)時間。設(shè)計(jì)者可參照表3選擇電流參數(shù)。

在開關(guān)電源設(shè)計(jì)時，最大的開關(guān)頻率是確定的，則開關(guān)時間也確定。其次根據(jù)選定的開關(guān)器，確定其QG，則利用表3可確定需要多大電流的驅(qū)動器。

驅(qū)動器的電流參數(shù)也可用近似的計(jì)算方法來計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

開關(guān)導(dǎo)通時（輸出源電流），I_DVR,SRC≥1.5（QG/t_sw-on）            （1）
開關(guān)關(guān)斷時（輸入沉電流），I_DVR,SNK≥1.5（QG/t_sw-off）            （2）

式中，I_DVR，SRC及_IDVR,SNK是驅(qū)動器輸出源電流或輸入沉電流的電流中間值；QG是MOSFET的總柵極電荷（可從MOSFET資料中查到），1.5是實(shí)驗(yàn)測定的系數(shù)。

驅(qū)動器的功耗PDRIVE

驅(qū)動器的總功耗為每個驅(qū)動器功耗之和，每通道的功耗為：

P_DRIVE=V_DD×Q_G×f_sw      （3）

式中，VDD為驅(qū)動器的工作電壓，Q_G為MOSFET的總柵極電荷，f_SW為開關(guān)頻率。

按上式計(jì)算出的功耗應(yīng)小于該驅(qū)動器最大允許的功耗。