最小的雙通道低邊柵極驅(qū)動(dòng)IC

為了給諸如人工智能、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)等新興應(yīng)用中使用的GPU和CPU供電，數(shù)據(jù)中心和計(jì)算系統(tǒng)的整體功率水平日益提高。因此，要滿(mǎn)足與日俱增的功率密度和效率要求，不僅需要對(duì)功率開(kāi)關(guān)技術(shù)（如GaN和SiC）和新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，而且需要進(jìn)一步優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)IC。功率半導(dǎo)體的工作頻率從數(shù)百kHz到MHz不等，再加上快速開(kāi)關(guān)瞬態(tài)，這對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路提出了新的挑戰(zhàn)，它必須確保在這些關(guān)鍵型基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)安全可靠的運(yùn)行。因此，柵極驅(qū)動(dòng)IC在保護(hù)系統(tǒng)，確保系統(tǒng)穩(wěn)健運(yùn)行的同時(shí)，還要為提高處理功率起到關(guān)鍵作用。為了支持實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，英飛凌不久前推出了具有5A源/漏輸出電流能力的新一代雙通道低邊柵極驅(qū)動(dòng)IC?，F(xiàn)在，EiceDRIVERTM 2EDN產(chǎn)品系列進(jìn)一步壯大，增加了采用小型引線(xiàn)框架SOT23 (2.9 x 2.8 mm) 6引腳封裝和超小型無(wú)引線(xiàn)TSNP (1.5 x 1.1 mm) 6引腳封裝的產(chǎn)品。這些新封裝型號(hào)有助于實(shí)現(xiàn)靈活布局、縮小占板空間并進(jìn)一步優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路，以便為高功率密度應(yīng)用提供更出色的開(kāi)關(guān)性能。圖1以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SMD電阻器為參考，直觀地展示了采用超小型TSNP封裝的全新EiceDRIVERTM 2EDN7534U的尺寸，如圖所示，其占板空間與0603電阻器差不多。

圖1：占板空間對(duì)比：采用TSNP 封裝的EiceDRIVERTM 2EDN7534U 較之于SMD電阻器

除提供多個(gè)封裝選項(xiàng)之外，新的EiceDRIVERTM 2EDN產(chǎn)品系列還具備一個(gè)經(jīng)優(yōu)化的輸出級(jí)，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓有源箝位、更短欠壓鎖定（UVLO）啟動(dòng)時(shí)間和更低電流消耗。不僅如此，高精度傳播延遲允許兩路并行輸出，可將電流能力提高至兩倍，并最大限度地減少死區(qū)時(shí)間損耗，從而達(dá)到很高系統(tǒng)效率。圖2（右圖）顯示了一個(gè)通過(guò)實(shí)現(xiàn)兩路并行輸出獲益匪淺的應(yīng)用示例：混合開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器(HSC)中的同步整流級(jí)通常在沒(méi)有柵極電阻器的情況下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)最快開(kāi)關(guān)瞬態(tài)。使用EiceDRIVERTM 2EDNxx3x產(chǎn)品的另一個(gè)應(yīng)用示例是服務(wù)器SMPS中典型的中心抽頭整流器，如圖2所示。全新EiceDRIVERTM 2EDN7534B采用SOT23封裝，其性能與其他采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝（DSO和TSSOP）的產(chǎn)品一樣，但占用的PCB面積更小，這一點(diǎn)在空間受限的設(shè)計(jì)中尤為重要。

圖2a：CT整流器

圖2b：HSC拓?fù)渲械腟R

圖2a和2b：全新EiceDRIVER? 2EDN7534產(chǎn)品的應(yīng)用示例

產(chǎn)品系列概況

EiceDRIVERTM 2EDNxx3x產(chǎn)品系列可提供5種不同封裝：3種工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的8引腳封裝DSO (SOIC)、TSSOP和WSON，以及專(zhuān)為超高功率密度應(yīng)用設(shè)計(jì)的小型6引腳封裝SOT23和TSNP。每種封裝類(lèi)型都可提供不同的峰值電流能力、正向輸入和反向輸入以及專(zhuān)門(mén)的欠壓鎖定電平，以滿(mǎn)足不同目標(biāo)應(yīng)用的要求。表1概括列出了可提供的產(chǎn)品和特性。

表1：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x產(chǎn)品系列概覽表

輸出電壓有源箝位

啟動(dòng)過(guò)程中，VDD引腳上的驅(qū)動(dòng)器偏置電壓必然上升，如果柵極驅(qū)動(dòng)IC實(shí)現(xiàn)了調(diào)制方案，那么，UVLO保護(hù)功能的目的是防止MOSFET以線(xiàn)性模式運(yùn)行。然而，在通用柵極驅(qū)動(dòng)IC中，UVLO輸出箝位通常是利用無(wú)源箝位電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的（圖3左圖），因此，UVLO激活時(shí)間較長(zhǎng)，在諸如微控制器(MCU)和柵極驅(qū)動(dòng)器由不同電源供電等情況下，這可能導(dǎo)致輸出在被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)為低電平之前，出現(xiàn)多個(gè)有害的VGS脈沖。

事實(shí)上，電阻型無(wú)源箝位的激活時(shí)間取決于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的RC時(shí)間常數(shù)，即數(shù)量級(jí)為幾μs。在這段較長(zhǎng)的激活時(shí)間內(nèi)，輸出通常不能正確地箝位到低電平， MOSFET可能會(huì)工作在線(xiàn)性區(qū)。

圖3a：通用RC型無(wú)源箝位

圖3b：新一代EiceDRIVERTM 2EDN

圖3a和3b：通用RC型無(wú)源箝位（上圖）較之于新一代EiceDRIVERTM 2EDN中實(shí)現(xiàn)的輸出電壓有源箝位機(jī)制（下圖）

為了克服這個(gè)問(wèn)題，全新EiceDRIVERTM 2EDN通過(guò)引入快速可靠的輸出電壓有源箝位機(jī)制，優(yōu)化了輸出級(jí)，如圖3右圖所示。有源箝位機(jī)制可檢測(cè)輸出引腳上的電壓，并使VGS保持在安全的低電壓狀態(tài)，直到UVLO解除。所以，驅(qū)動(dòng)器能夠在驅(qū)動(dòng)器VDD電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)程中做出更快的反應(yīng)，從而防止在向功率開(kāi)關(guān)柵極施加低VGS柵極電壓時(shí)發(fā)生MOSFET開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

圖4所示為EiceDRIVERTM 2EDN輸出電壓有源箝位性能報(bào)告。驅(qū)動(dòng)器VDD電源電壓一經(jīng)達(dá)到1.2V，輸出電壓有源箝位機(jī)制就會(huì)被激活，OUT引腳會(huì)在大約20ns激活時(shí)間內(nèi)被主動(dòng)下拉至安全關(guān)斷電平。其反應(yīng)速度比無(wú)源箝位機(jī)制的RC時(shí)間常數(shù)快得多，后者可能需要數(shù)十微秒甚或更長(zhǎng)時(shí)間。

圖4a：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x輸出電壓有源箝位

圖4b：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x輸出電壓有源箝位

圖4a和4b：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x輸出電壓有源箝位

圖5將輸出電壓有源箝位(EiceDRIVERTM 2EDNxx3x)的輸出波形與市場(chǎng)上的類(lèi)似器件在弱上拉條件下的無(wú)源箝位輸出波形進(jìn)行了對(duì)比。如圖所示，EiceDRIVERTM 2EDNxx3x性能更加可靠，在VDD啟動(dòng)期間使OUT電壓保持在安全的低電平。

圖5a：無(wú)源箝位電阻

圖5b：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x有源箝位

圖5a和5b：弱上拉條件下OUT引腳無(wú)源箝位和有源箝位

輸出電壓有源箝位機(jī)制還可防止當(dāng)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處于高dV/dt瞬態(tài)時(shí)，流經(jīng)米勒電容Cgd的位移電流導(dǎo)致電壓耦合到VGS，從而造成MOSFET重新導(dǎo)通。在這種情況下，EiceDRIVERTM 2EDNxx3x的輸出級(jí)檢測(cè)到快速電壓瞬態(tài)，并快速激活有源箝位機(jī)制，以在VDD低于UVLO閾值時(shí)將柵極保持在安全關(guān)斷狀態(tài)。圖6對(duì)這兩種不同的箝位機(jī)制進(jìn)行了對(duì)比。

圖6a：無(wú)源箝位電阻

圖6b：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x有源箝位

圖6a和6b：高dV/dt瞬態(tài)時(shí)的無(wú)源箝位和有源箝位

在上述所有考慮事項(xiàng)的條件下，快速輸出電壓有源箝位機(jī)制可以在短時(shí)間內(nèi)使OUTPUT引腳保持在安全的低電壓狀態(tài)，而不會(huì)讓開(kāi)關(guān)柵極暴露于意外的感應(yīng)噪聲和潛在的有害的線(xiàn)性模式運(yùn)行。

欠壓鎖定啟動(dòng)時(shí)間和靜態(tài)電流消耗

在系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中，或從欠壓狀態(tài)恢復(fù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器從UVLO狀態(tài)恢復(fù)所需時(shí)間tSTART至關(guān)重要。事實(shí)上，當(dāng)系統(tǒng)從UVLO狀態(tài)恢復(fù)時(shí)，MCU和柵極驅(qū)動(dòng)IC有不同的電源，MCU會(huì)在UVLO解除之前向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送PWM脈沖。在這種情況下，在驅(qū)動(dòng)器電源電壓升至高于閾值（UVLOON）之前，可能會(huì)部分或完全丟失幾個(gè)脈沖。

丟失PWM脈沖可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)不同位置的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱(chēng)，造成電路參數(shù)不對(duì)稱(chēng)，在最壞情況下還會(huì)造成磁性器件磁飽和并產(chǎn)生有害的浪涌電流。UVLO解除時(shí)間（tSTART）越長(zhǎng)，丟失PWM脈沖數(shù)量越多，不對(duì)稱(chēng)性越嚴(yán)重。正因如此，輸出電壓有源箝位機(jī)制必須快速準(zhǔn)確地做出反應(yīng)。

市場(chǎng)上大多數(shù)柵極驅(qū)動(dòng)IC的UVLO啟動(dòng)時(shí)間為5μs或更長(zhǎng)。全新EiceDRIVERTM 2EDN柵極驅(qū)動(dòng)IC的UVLO啟動(dòng)時(shí)間(tSTART)為1.8μs（典型值），因此，在解除UVLO時(shí)僅丟失最少數(shù)量PWM脈沖，從而實(shí)現(xiàn)安全的轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)和可靠運(yùn)行。圖7所示為UVLO恢復(fù)過(guò)程中的tSTART實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖7a：PWM輸入

圖7b：PWM輸出

圖7a和7b：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x在UVLO恢復(fù)過(guò)程中的PWM輸入和驅(qū)動(dòng)器輸出

與市場(chǎng)上的類(lèi)似IC相比，新EiceDRIVERTM 2EDN系列提供了所有所述的改進(jìn)功能，同時(shí)保持較低的靜態(tài)電流，如圖8所示。這有助于降低待機(jī)狀態(tài)下的整體靜態(tài)電流消耗，以防在未施加PWM信號(hào)的情況下啟用驅(qū)動(dòng)器。

圖8：EiceDRIVERTM 2EDN靜態(tài)電流與其他廠商產(chǎn)品對(duì)比

為雙通道低邊驅(qū)動(dòng)器尺寸樹(shù)立新標(biāo)桿

EiceDRIVERTM 2EDN可提供所有工業(yè)級(jí)的8引腳封裝：DSO (SOIC)、TSSOP和無(wú)引線(xiàn)WSON。為了助力提高功率密度，英飛凌推出了非常緊湊的6引腳封裝SOT23和TSNP，在某些應(yīng)用中將兩個(gè)未使用的ENABLE引腳移除（通過(guò)內(nèi)部上拉連接到VDD）或直接短接到VDD。較之于DSO封裝，新的SOT23封裝可以節(jié)省73%的PCB面積，而TSNP封裝則比WSON封裝節(jié)省81%的空間，如下圖所示。

圖9：新的SOT23封裝和TSNP封裝與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝的尺寸對(duì)比

特別是在高功率密度應(yīng)用中，柵極驅(qū)動(dòng)IC整體尺寸大幅縮小有利于優(yōu)化電路板布線(xiàn)，減小總的占板空間，并且允許將柵極驅(qū)動(dòng)IC放置在最佳位置，以最大限度地減小柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路。例如，憑借內(nèi)部高精度計(jì)時(shí)器，可以將采用TSNP 封裝的EiceDRIVER? 2EDN7534U配置為雙通道并聯(lián)驅(qū)動(dòng)一個(gè)OptiMOS?，使其驅(qū)動(dòng)能力提升至2倍。將IC直接放置在OptiMOS?的柵極引腳旁邊，最大限度地減少柵極信號(hào)振鈴。

全新2EDN小型封裝帶來(lái)的好處

得益于封裝尺寸縮小，2EDN柵極驅(qū)動(dòng)IC非常適于驅(qū)動(dòng)低邊MOSFET。事實(shí)上，兩個(gè)輸出級(jí)可以重復(fù)用于驅(qū)動(dòng)高頻變壓器并提供數(shù)百毫瓦功率，以滿(mǎn)足大多數(shù)隔離型偏置電源的要求，為浮柵驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)供電。

圖10所示為采用SOT23封裝的EiceDRIVERTM 2EDN7533B用于產(chǎn)生兩個(gè)隔離的正壓和負(fù)壓電源的電路布線(xiàn)示例。兩個(gè)輸出OUTA和OUTB配置為全橋逆變器，以驅(qū)動(dòng)具有低繞組間電容的緊湊型高頻變壓器(XT04)。隔離型柵極驅(qū)動(dòng)IC和偏置電源板(KIT_1EDB_AUX_SiC)尺寸僅為8.5mm x 17.5mm，因而適合放置在高密度高壓功率級(jí)中。它可以提供高達(dá)1.5W的平均輸出功率，同時(shí)保持良好的負(fù)載調(diào)節(jié)?？梢垣@得不同的輸出正壓和負(fù)壓電源軌，以匹配不同的SiC MOSFET。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整電路，可以從10V輸入單極電源軌獲得+18V/-1V、+18V/-5V、+15V/-4V和+20V/-3V?？梢圆捎肒IT_1EDB_AUX_GaN示范的方法，將EiceDRIVERTM 1EDN用于GaN HEMT器件。這個(gè)評(píng)估板還包括一個(gè)可選電路，可使用TL432并聯(lián)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)1%電壓調(diào)節(jié)。

KIT_1EDB_AUX_SiC評(píng)估板的橫截面（圖11）經(jīng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，可以焊接到DSO-8單通道隔離型柵極驅(qū)動(dòng)IC（如EiceDRIVERTM 1EDB6275F）的封裝上，并像在子母板中那樣用于取代現(xiàn)有的無(wú)隔離電源的DSO8驅(qū)動(dòng)器。

圖10：為SiC MOSFET提供可配置浮動(dòng)雙極偏置電源的隔離型柵極驅(qū)動(dòng)IC (KIT_1EDB_AUX_SiC)

圖11：KIT_1EDB_AUX_SiC，可兼容EiceDRIVERTM 1EDBxxxxF封裝

總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，本文介紹了英飛凌EiceDRIVERTM 2EDNxx3x雙通道低邊柵極驅(qū)動(dòng)IC的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)化特性。創(chuàng)新特性包括快速輸出電壓有源箝位和更短欠壓鎖定啟動(dòng)時(shí)間，這提高了整體系統(tǒng)的穩(wěn)健性和可靠性。

最重要的是，新一代EiceDRIVERTM 2EDN產(chǎn)品采用了兩種新型6引腳封裝： SOT23和無(wú)引線(xiàn)TSNP，為市場(chǎng)上的封裝尺寸樹(shù)立了新的標(biāo)桿。這些新型封裝有助于創(chuàng)新48V DC-DC中間總線(xiàn)轉(zhuǎn)換器（IBC）拓?fù)湓诟咝阅苡?jì)算系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)超高功率密度設(shè)計(jì)，而不會(huì)影響標(biāo)準(zhǔn)2EDN產(chǎn)品的高性能。

總之，EiceDRIVERTM 2EDN產(chǎn)品搭配英飛凌MOSFET，可以助推高功率應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更高功率密度，同時(shí)保持設(shè)計(jì)靈活性以及帶獨(dú)立柵極驅(qū)動(dòng)器和開(kāi)關(guān)的分立式解決方案的可擴(kuò)展性。

校對(duì)：英飛凌科技高級(jí)主任工程師 陳杰