半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高端MOSFET驅(qū)動(dòng)方案選擇：變壓器還是硅芯片？

在節(jié)能環(huán)保意識(shí)的鞭策及世界各地最新能效規(guī)范的推動(dòng)下，提高能效已經(jīng)成為業(yè)界共識(shí)。與反激、正激、雙開關(guān)反激、雙開關(guān)正激和全橋等硬開關(guān)技術(shù)相比，雙電感加單電容(LLC)、有源鉗位反激、有源鉗位正激、非對(duì)稱半橋(AHB)及移相全橋等軟開關(guān)技術(shù)能提供更高的能效。因此，在注重高能效的應(yīng)用中，軟開關(guān)技術(shù)越來(lái)越受設(shè)計(jì)人員青睞。

另一方面，半橋配置最適合提供高能效/高功率密度的中低功率應(yīng)用。半橋配置涉及兩種基本類型的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，即高端(High-Side)驅(qū)動(dòng)器和低端(Low-Side)驅(qū)動(dòng)器。高端表示MOSFET的源極能夠在地與高壓輸入端之間浮動(dòng)，而低端表示MOSFET的源極始終接地，參見圖1。當(dāng)高端開關(guān)從關(guān)閉轉(zhuǎn)向?qū)〞r(shí)，MOSFET源極電壓從地電平上升至高壓輸入端電平，這表示施加在MOSFET門極的電壓也必須隨之浮動(dòng)上升。這要求某種形式的隔離或浮動(dòng)門驅(qū)動(dòng)電路。與之不同，低端MOSFET的源極始終接地，故門驅(qū)動(dòng)電壓也能夠接地參考，這使驅(qū)動(dòng)低端MOSFET的門極更加簡(jiǎn)單。      

                               
圖1：LLC半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路圖。
 
所有軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都應(yīng)用帶浮接參考引腳(如MOSFET源極引腳)的功率開關(guān)。在如圖1所示的LLC半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，高端MOSFET開關(guān)連接至高壓輸入端，不能夠采用主電源控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)，而需要另行選定驅(qū)動(dòng)電路。這驅(qū)動(dòng)電路是控制電路與功率開關(guān)之間的接口，將控制信號(hào)放大至驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管所要求的電平，并在功率開關(guān)管與邏輯電平控制電路之間有要求時(shí)提供電氣隔離。高端MOSFET驅(qū)動(dòng)方案常見的有兩種，一是基于變壓器的方案，二是基于硅集成電路(IC)驅(qū)動(dòng)器的方案。本文將分別討論這兩種半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高端MOSFET驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)考慮因素，并從多個(gè)角度比較這兩種驅(qū)動(dòng)方案，及提供安森美半導(dǎo)體的建議方案。

變壓器驅(qū)動(dòng)方案
基于變壓器的高端MOSFET驅(qū)動(dòng)方案在設(shè)計(jì)過程中涉及到一些重要的考慮因素。例如，由于是對(duì)地參考點(diǎn)浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)，如果設(shè)計(jì)中存在400 V功率因數(shù)校正(PFC)電路，則要保持500 V隔離。此外，要將漏電感減至最小，否則輸出與輸入繞組之間的延遲可能會(huì)損壞功率MOSFET。要遵守法拉第定律，保持V*T乘積恒定，否則會(huì)飽和。要保持足夠裕量，防止飽和，尤其是在交流高壓輸入和瞬態(tài)負(fù)載的情況下。要使用高磁導(dǎo)率鐵芯，從而將勵(lì)磁電流(IM)降至最低。要保持高灌電流(sink current)能力，使開關(guān)速度加快。

基于變壓器的驅(qū)動(dòng)方案包含兩種主要類型，分別是單驅(qū)動(dòng)(DRV)輸入和雙驅(qū)動(dòng)輸入，參見圖2a及圖2b。單驅(qū)動(dòng)輸入方案中，需要增加交流耦合電容(CC)來(lái)復(fù)位驅(qū)動(dòng)變壓器的磁通。這種方案中的門極-源極電壓(VGS)幅度取決于占空比；另外，穩(wěn)態(tài)時(shí)-VC關(guān)閉，而在啟動(dòng)時(shí)灌電流能力受限。這種方案需要快速的時(shí)間常數(shù)(LM//RGS * CC)，防止由快速瞬態(tài)事件導(dǎo)致的磁通走漏(flux walking)。 另外，在設(shè)計(jì)過程中，也需要留意跳周期模式或欠壓鎖定(UVLO)時(shí)耦合電容與驅(qū)動(dòng)變壓器之間的振鈴，需要使用二極管來(lái)抑制振鈴。

單驅(qū)動(dòng)輸入包括帶直流恢復(fù)的單驅(qū)動(dòng)輸入及帶PNP關(guān)閉的單驅(qū)動(dòng)輸入。其中，帶直流恢復(fù)的單驅(qū)動(dòng)輸入在穩(wěn)態(tài)時(shí)VGS取決于占空比，但灌電流能力有限；后者則采用PNP晶體管+二極管的組合來(lái)幫助改善關(guān)閉(switching off)操作。此外，對(duì)單驅(qū)動(dòng)輸入而言，還不能忽略與門。如果與門驅(qū)動(dòng)能力有限，要增加圖騰柱(totem-pole)驅(qū)動(dòng)器。

圖2b顯示的是雙極性對(duì)稱驅(qū)動(dòng)輸入方案的電路圖。在這種方案中，兩個(gè)輸入(DRVA和DRVB)的極性相反，位置對(duì)稱，故不同于單驅(qū)動(dòng)輸入方案，無(wú)需交流耦合電容。這種方案適合推挽型電路，如LLC-HB，但不適合非對(duì)稱電路，如非對(duì)稱半橋或有源鉗位。這種方案需要注意線路/負(fù)載瞬態(tài)時(shí)的驅(qū)動(dòng)變壓器磁通，仍然需要強(qiáng)大的關(guān)閉能力。需要注意由泄漏電感導(dǎo)致的延遲，將泄漏電感減至最小，并使用雙輸出繞組而非單輸出繞組。這種方案的另一項(xiàng)不足是關(guān)閉電阻(Roff)壓降會(huì)導(dǎo)致額外的功率損耗。

綜合來(lái)看，變壓器驅(qū)動(dòng)方案有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，一是變壓器比裸片更強(qiáng)固，二是對(duì)雜散噪聲及高dV/dt脈沖較不敏感，當(dāng)然，成本也可能更便宜。但其劣勢(shì)是電路復(fù)雜，需要注意極端線路/負(fù)載條件及關(guān)閉模式，且需注意泄漏電感及隔離，還要留意汲電流能力是否夠強(qiáng)。

硅芯片驅(qū)動(dòng)方案
與變壓器驅(qū)動(dòng)方案類似，硅集成電路驅(qū)動(dòng)方案也包含單驅(qū)動(dòng)輸入和雙驅(qū)動(dòng)輸入這兩種類型，分別見圖3a及圖3b。不過，這些硅半橋驅(qū)動(dòng)器既能用作高端MOSFET驅(qū)動(dòng)器，也能用作低端MOSFET驅(qū)動(dòng)器。硅芯片高端MOSFET驅(qū)動(dòng)方案采用緊湊、高性能的封裝，在單顆芯片中集成了驅(qū)動(dòng)高端MOSFET所需的大多數(shù)功能，增加少數(shù)幾個(gè)外部元件后就能提供快速的開關(guān)速度，提供閂鎖關(guān)閉功能，輸入指令與門驅(qū)動(dòng)輸出之間的延遲極低，功率耗散也較低。

圖3：硅芯片驅(qū)動(dòng)方案電路圖：a雙輸入；b單輸入。

但在提供這些優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，硅芯片驅(qū)動(dòng)方案也有一些局限，如硅芯片內(nèi)電壓達(dá)600 V，需要高端隔離，且需要匹配高端驅(qū)動(dòng)與低端驅(qū)動(dòng)之間的傳播延遲，避免使用任何不平衡變壓器。此外，高端驅(qū)動(dòng)器需要自舉供電(bootstrap supply)，并且需較高抗干擾能力，抑制高端驅(qū)動(dòng)器的負(fù)電壓影響。就高壓隔離而言，需要在電路中增加脈沖觸發(fā)器、電平轉(zhuǎn)換器和同步整流觸發(fā)器。其中，電平轉(zhuǎn)換器維持高達(dá)600 V電壓。就匹配延遲而言，在低端驅(qū)動(dòng)器通道上加入延遲時(shí)間，從而補(bǔ)償由脈沖觸發(fā)器、電平轉(zhuǎn)換器和同步整流觸發(fā)器導(dǎo)致的高端延遲。而就高端驅(qū)動(dòng)器的負(fù)電壓而言，我們著重關(guān)注半橋支路來(lái)研究。連接至半橋支路的負(fù)載是電感型負(fù)載，類似于LLC半橋，或在最簡(jiǎn)單的情況下是同步降壓結(jié)構(gòu)。就降壓轉(zhuǎn)換器的實(shí)際工作來(lái)看，寄生電感和寄生電容等寄生參數(shù)隨處可見，橋引腳上的負(fù)電壓將會(huì)在驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)電流，且負(fù)電壓會(huì)在每個(gè)脈沖寬度增大，直到硅驅(qū)動(dòng)器(或稱驅(qū)動(dòng)器IC)失效。若能在寬溫度范圍內(nèi)將負(fù)脈沖保持在恰當(dāng)?shù)膮^(qū)域內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器將正常工作；否則，驅(qū)動(dòng)器將不會(huì)正常工作或可能損壞。

安森美半導(dǎo)體在-40℃至+125℃的完整溫度范圍內(nèi)定義驅(qū)動(dòng)IC的電氣參數(shù)，相關(guān)的高端MOSFET硅驅(qū)動(dòng)器(參見表1)具有強(qiáng)固的負(fù)電壓特性。相比較而言，很多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手僅在+25℃的環(huán)境工作溫度下定義電氣參數(shù)，并不總提供溫度特征描繪，而且很多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手從特征曲線中析取的電氣參數(shù)值很可能未顧及工藝變化問題。

表1：安森美半導(dǎo)體用于高端MOSFET驅(qū)動(dòng)的硅驅(qū)動(dòng)器相互參照。

方案比較及安森美半導(dǎo)體建議
我們以采用變壓器驅(qū)動(dòng)方案和硅驅(qū)動(dòng)器方案的24 V@10 A LLC半橋電路為例來(lái)比較這兩種方案。這兩種方案都采用帶雙DRV輸出的LLC控制器NCP1395，不同的是，前者采用變壓器驅(qū)動(dòng)LLC轉(zhuǎn)換器的MOSFET，后者采用NCP5181驅(qū)動(dòng)器IC來(lái)驅(qū)動(dòng)器LLC轉(zhuǎn)換器的MOSFET。兩者的波形看上去類似，但比較高端MOSFET關(guān)閉時(shí)的波形可以發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)器IC更快速地關(guān)閉MOSFET，而且驅(qū)動(dòng)IC關(guān)閉MOSFET時(shí)快70 ns，從而降低開關(guān)損耗；而在高端MOSFET導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)器IC在高端與低端MOSFET之間能夠保持安全及足夠的死區(qū)時(shí)間，優(yōu)于變壓器驅(qū)動(dòng)方案。而從能效來(lái)看，在相同的輸入功率時(shí)，兩種方案的能效沒有顯著區(qū)別(詳見參考資料1)。

對(duì)于這兩種方案而言，究竟應(yīng)該選擇哪種方案呢？實(shí)際上，如果精心設(shè)計(jì)的話，這兩種方案都可以。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，我們的建議是選擇硅芯片驅(qū)動(dòng)方案，因?yàn)楣璺桨缚梢院?jiǎn)化布線及簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，免去變壓器需要手動(dòng)插入的問題，及可免除變壓器方案中諸如隔離被破壞、磁通走散、關(guān)閉后出來(lái)未預(yù)料到的振鈴等問題。而且要支持纖薄設(shè)計(jì)的話, 扁平電源中變壓器的高度是個(gè)問題，而硅芯片驅(qū)動(dòng)方案則無(wú)此問題。
　
總結(jié)：
對(duì)于需要高能效的應(yīng)用而言，采用軟開關(guān)技術(shù)的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來(lái)越受設(shè)計(jì)人員青睞。但要驅(qū)動(dòng)半橋拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)中的高端MOSFET，設(shè)計(jì)人員面臨著是選擇變壓器或是硅芯片等不同驅(qū)動(dòng)方案的選擇。本文分析了不同驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)考慮因素、相關(guān)問題及解決之道，并從多個(gè)角度對(duì)比了這兩種驅(qū)動(dòng)方案。盡管精心設(shè)計(jì)的話，這兩種驅(qū)動(dòng)方案都可以良好工作，但安森美半導(dǎo)體建議選擇諸如NCP5181這樣的硅芯片驅(qū)動(dòng)方案，在簡(jiǎn)化布線及設(shè)計(jì)的同時(shí)，也可避免變壓器驅(qū)動(dòng)方案的諸多問題，幫助設(shè)計(jì)人員縮短設(shè)計(jì)周期，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。

參考資料：
1、半橋驅(qū)動(dòng)器：采用變壓器還是全硅驅(qū)動(dòng)，安森美半導(dǎo)體培訓(xùn)教程， www.onsemi.com/pub/Collateral/HB%20-%20Half-Bridge%20Drivers,%20a%20Transformer-Based%20Solution%20or%20an%20All-Silicon%20Drive%20-%20bilingual.rev0.pdf
2、NCP5181數(shù)據(jù)手冊(cè)，http://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCP5181-D.PDF