電源設(shè)計中IC驅(qū)動電流不足的解決方法

在電源設(shè)計中，工程師通常會面臨控制IC驅(qū)動電流不足的問題，或者面臨由于柵極驅(qū)動損耗導(dǎo)致控制IC功耗過大的問題。為緩解這一問題，工程師通常會采用外部驅(qū)動器。

中心議題：

工程師如何解決控制IC驅(qū)動電流不足的問題

利用幾個部件就可以構(gòu)建一款獨立驅(qū)動器

具有同步整流器的電源可使用變壓器的繞組電壓來驅(qū)動?xùn)艠O

解決方案：

簡單的緩沖器可驅(qū)動2Amps以上的電流

FMMT618的更高電流驅(qū)動器可增強驅(qū)動能力

在電源設(shè)計中，工程師通常會面臨控制IC驅(qū)動電流不足的問題，或者面臨由于柵極驅(qū)動損耗導(dǎo)致控制IC功耗過大的問題。為緩解這一問題，工程師通常會采用外部驅(qū)動器。半導(dǎo)體廠商(包括TI在內(nèi))擁有現(xiàn)成的MOSFET集成電路驅(qū)動器解決方案，但這通常不是成本最低的解決方案。通常會選擇價值幾美分的分立器件。

圖1：緩沖器可驅(qū)動2Amps以上的電流

圖1中的示意圖顯示了一個NPN/PNP發(fā)射跟隨器對，其可用于緩沖控制IC的輸出。這可能會增加控制器的驅(qū)動能力并將驅(qū)動損耗轉(zhuǎn)移至外部組件。許多人都認為該特殊電路無法提供足夠的驅(qū)動電流。

如圖2中hf曲線所示，通常廠商都不會為這些低電流器件提供高于0.5A的電流。但是，該電路可提供大大高于0.5A的電流驅(qū)動，如圖1中的波形所示。就該波形而言，緩沖器由一個50Ω源驅(qū)動，負載為一個與1Ω電阻串聯(lián)的0.01 uF電容。該線跡顯示了1Ω電阻兩端的電壓，因此每段接線柱上的電流為2A.該數(shù)字還顯示MMBT2222A可以提供大約3A的電流，MMBT3906吸收2A的電流。

事實上，晶體管將與其組件進行配對(MMBT3904用于3906,MMBT2907用于2222)。這兩個不同的配對僅用于比較。這些器件還具有更高的電流和更高的hfe, 如FMMT618/718對，其在6A電流時具有100 的hfe(請參見圖2)。與集成驅(qū)動器不同，分立器件是更低成本的解決方案，且有更高的散熱和電流性能。

圖2：諸如FMMT618的更高電流驅(qū)動器可增強驅(qū)動能力

圖3顯示了一款可使您跨越隔離邊界的簡單緩沖器變量情況。一個信號電平變壓器由一個對稱雙極驅(qū)動信號來驅(qū)動。變壓器次級繞組用于生成緩沖器電力并為緩沖器提供輸入信號。二極管D1和D2對來自變壓器的電壓進行調(diào)整，而晶體管Q1和Q2則用于緩沖變壓器輸出阻抗以提供大電流脈沖，從而對連接輸出端的FET進行充電和放電。該電路效率極高且具有50%的占空比輸入(請參見圖3中較低的驅(qū)動信號)，因為其將驅(qū)動FET柵極為負并可提供快速開關(guān)，從而最小化開關(guān)損耗。這非常適用于相移全橋接轉(zhuǎn)換器。

如果您打算使用一個小于50%的上方驅(qū)動波形(請參見圖3)，那么就要使用緩沖變壓器。這樣做有助于避免由于轉(zhuǎn)換振鈴引起的任意開啟EFT一次低電平到零的轉(zhuǎn)換可能會引起漏電感和次級電容，從而引發(fā)振鈴并在變壓器外部產(chǎn)生一個正電壓。

圖3：利用幾個部件您就可以構(gòu)建一款獨立驅(qū)動器

總之，分立器件可以幫助您節(jié)約成本。價值大約0.04美元的分立器件可以將驅(qū)動器IC成本降低10倍。分立驅(qū)動器可提供超過2A的電流并且可以使您從控制IC中獲得電力。此外，該器件還可去除控制IC中的高開關(guān)電流，從而提高穩(wěn)壓和噪聲性能。

我們來了解一下自驅(qū)動同整流器并探討何時需要分立驅(qū)動器來保護同步整流器柵極免受過高電壓帶來的損壞。理想情況下，您可以利用電源變壓器直接驅(qū)動同步整流器，但是由于寬泛的輸入電壓變量，變壓器電壓會變得很高以至于可能會損壞同步整流器。

圖4顯示的是用于控制同步反向拓撲中Q2傳導(dǎo)的分立器件。該電路可以讓您控制開啟柵極電流并保護整流器柵極免受高反向電壓的損壞。該電路可以用變壓器輸出端的負電壓進行驅(qū)動。12V輸入與5V輸出相比負電壓值很大，從而引起Q1傳導(dǎo)并短路電源FET Q2上的柵-源電壓，迅速將其關(guān)閉。由于基極電流流經(jīng) R2,因此在加速電容C1上就有了一個負電壓。在此期間，一次側(cè) FET將會發(fā)生傳導(dǎo)并在變壓器磁化電感中存儲能量。一次側(cè)FET關(guān)閉時，變壓器輸出電壓在正電壓范圍擺動。Q2柵-源通過D1和R1被迅速前向偏置。C1放電時，D2對Q1基極-發(fā)射極連接進行保護。在一次側(cè)FET再次開啟之前，該電路會一直保持這種狀態(tài)。正如同步降壓轉(zhuǎn)換器那樣，輸出電流會真正地對輸出電容進行放電。開啟一次側(cè)FET會衰減變壓器二次側(cè)上的電壓并去除Q2的正驅(qū)動。這種轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致明顯的貫通疊加一次側(cè) FET和 Q2 傳導(dǎo)次數(shù)。為了最小化該次數(shù)，當一次側(cè)和二次側(cè)FET均開啟時，Q1將會盡快地短路同步整流器上的柵-源。

圖4：Q1 快速關(guān)閉同步反向

圖5顯示的是用于控制同步正向轉(zhuǎn)換器中Q1和Q4傳導(dǎo)的分立驅(qū)動器。在此特殊的設(shè)計中，輸入電壓很寬泛。這就是說兩個FET的柵極可能會有超過其額定電壓的情況，因此就需要一個鉗位電路。當變壓器輸出電壓為負數(shù)，該電路就會開啟Q4二極管D2和D4將正驅(qū)動電壓限制在4.5V左右。D1和D3將FET關(guān)閉， 該FET由變壓器和電感中的電流進行驅(qū)動。Q1和Q4將反向柵極電壓鉗位到接地。在此設(shè)計中，F(xiàn)ET 具有相當小柵極電感，因此轉(zhuǎn)換非常迅速。較大的FET可能需要實施一個PNP晶體管對變壓器繞組進行柵極電容去耦并提升開關(guān)速度。為柵極驅(qū)動轉(zhuǎn)換器Q2和Q3選擇合適的封裝至關(guān)重要，因為這些封裝會消耗轉(zhuǎn)換器中大量的電能(這是因為在 FET 柵極電容放電期間這些封裝會起到線性穩(wěn)壓器的作用)。此外，由于更高的輸出電壓R1和R2中的功耗可能也會很高。

圖5 ：D2和D4限制了該同步正向驅(qū)動器中正柵極電壓

總之，許多具有同步整流器的電源都可以使用變壓器的繞組電壓來驅(qū)動同步整流器的柵極。寬范圍輸入或高輸出電壓需要調(diào)節(jié)電路來保護柵極。在圖4所示的同步反向結(jié)構(gòu)中，我們向您介紹了如何在保持快速的開關(guān)轉(zhuǎn)換的同時控制同步整流器柵極上的反向電壓。與之相類似在圖2的同步正向結(jié)構(gòu)中，我們向您介紹了如何限制同步整流器柵極上的正驅(qū)動電壓。