窄脈寬信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片的影響

1）窄脈寬的來(lái)源

驅(qū)動(dòng)芯片在各種電力電子系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，例如整流器、DC-DC變換器、逆變器和變頻器等，其工作頻率和占空比范圍在不同系統(tǒng)中各不相同。

• 在常規(guī)整流器的PFC部分，根據(jù)輸入電壓的范圍不同，其下管的占空比可以在0%到100%之間變化；
• 在常見(jiàn)的DC-DC變換器中，開(kāi)機(jī)時(shí)通常會(huì)有緩啟功能，其輸出脈寬會(huì)從零開(kāi)始逐步增大；另外，當(dāng)輸出負(fù)載或輸入電壓發(fā)生瞬態(tài)跳變時(shí)，輸出會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)變化，系統(tǒng)環(huán)路會(huì)根據(jù)輸出電壓的變化來(lái)調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的輸入脈寬，在調(diào)整過(guò)程中，可能出現(xiàn)極大或極小的輸出脈寬；
• 在橋式逆變器中，當(dāng)輸出電壓達(dá)到最大或最小峰值時(shí)，也可能出現(xiàn)極大和極小的輸出脈寬。

圖1 正負(fù)向窄脈寬

如果這些極大或極小脈寬沒(méi)有得到有效限制，可能會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定工作；嚴(yán)重情況下甚至?xí)?dǎo)致驅(qū)動(dòng)器或系統(tǒng)失效。

2）正負(fù)窄脈寬對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片的影響

下圖2所示，是一種常見(jiàn)的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，虛線(xiàn)框內(nèi)為一個(gè)輸出通道的結(jié)構(gòu)示意圖，其輸出采用PMOS+NMOS結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)器在控制功率管MOSFET M1開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，會(huì)對(duì)功率MOSFET M1的柵極拉出和灌入電流。在窄脈寬開(kāi)通情況下，驅(qū)動(dòng)器收到關(guān)斷指令會(huì)將MOSFET M1關(guān)斷，此時(shí)MOSFET ?M1的開(kāi)通過(guò)程還沒(méi)有完成，驅(qū)動(dòng)器的輸出仍然維持在較高的電流，當(dāng)該電流突然變化，在PCB走線(xiàn)寄生電感和驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部寄生電感的共同作用下，會(huì)在驅(qū)動(dòng)器的輸出引腳產(chǎn)生很大的電壓應(yīng)力，該應(yīng)力可能導(dǎo)致芯片失效。

圖2 常見(jiàn)功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

為了分析和驗(yàn)證，將MOSFET的門(mén)極輸入電容采用電容C1來(lái)代替，如下圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化電路

考慮到PCB和芯片內(nèi)部的寄生電感，其等效電路如下圖4所示，其中L1、L4和L5為芯片內(nèi)部寄生電感（L_bonding），L2和L3為PCB上的寄生電感（L_PCB）。

圖4 等效電路

? 下面將對(duì)不同脈寬下驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)力產(chǎn)生和影響進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1. 正向窄脈寬的狀態(tài)分析

• t0~t1期間，驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的NMOS M3導(dǎo)通，PMOS M2關(guān)斷，OUT輸出為低，此時(shí)驅(qū)動(dòng)回路中的Isrc和Isnk電流均為零；
• t1時(shí)刻，NMOS M3關(guān)斷，PMOS M2導(dǎo)通，OUT輸出拉高，給負(fù)載電容C1充電，Isnk電流為零；
• t2時(shí)刻，PMOS M2關(guān)斷，NMOS M3導(dǎo)通，OUT輸出被拉低，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電流Isrc不為零。該電流在芯片內(nèi)部寄生電感和PCB走線(xiàn)寄生電感的共同作用下，對(duì)PMOS M2和NMOS M3的寄生輸出電容進(jìn)行充放電，從而導(dǎo)致OUT出現(xiàn)負(fù)向過(guò)沖電壓。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部輸出Pad的電壓應(yīng)力可以用如下公式(1)進(jìn)行估算。

其中各參數(shù)的定義如下：

• V_Gate: MOSFET的柵極電壓
• L_bonding：IC內(nèi)部的鍵合線(xiàn)產(chǎn)生的寄生電感，通常約為5nH
• L_PCB：驅(qū)動(dòng)器輸出引腳到柵極的PCB引線(xiàn)寄生電感
• R_G：MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電阻

表1 不同脈寬狀態(tài)分析

2. 正常脈寬的狀態(tài)分析

• t0~t1期間，驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部NMOS M3導(dǎo)通，PMOS M2關(guān)斷，OUT輸出為低，驅(qū)動(dòng)回路中Isrc和Isnk電流為零；
• t1時(shí)刻，NMOS M3關(guān)斷后，PMOS M2導(dǎo)通，OUT輸出拉高，負(fù)載電容C1充電，當(dāng)電容C1充滿(mǎn)電后，Isrc恢復(fù)到0，Isnk電流保持為零；
• t2時(shí)刻，PMOS M2關(guān)斷后，NMOS M3開(kāi)通，OUT輸出被拉低，負(fù)載電容C1放電，當(dāng)電容C1放電結(jié)束后，Isnk電流恢復(fù)到零；
• OUT輸出轉(zhuǎn)換過(guò)程中，lsrc或Isnk都是由零上升或下降到峰值，然后恢復(fù)到零，OUT輸出沒(méi)有明顯的正向或負(fù)向過(guò)沖電壓。

3. 負(fù)向窄脈寬的狀態(tài)分析

• t0~t1期間，驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部PMOS M2導(dǎo)通，NMOS M3關(guān)斷，OUT輸出為高，驅(qū)動(dòng)回路中Isrc和Isnk電流為零；
• t1時(shí)刻，NMOS M3導(dǎo)通，OUT輸出拉低，負(fù)載電容C1放電；
• t2時(shí)刻，NMOS M3關(guān)斷，PMOS3開(kāi)通，OUT輸出被拉高，此時(shí)驅(qū)動(dòng)回路中電流Isnk不為零，該電流在芯片內(nèi)部的寄生電感和PCB走線(xiàn)的寄生電感的共同作用下，對(duì)PMOS M2和NMOS M3的寄生輸出電容進(jìn)行充放電，導(dǎo)致OUT輸出出現(xiàn)顯著的正向過(guò)沖電壓。

??實(shí)際電路驗(yàn)證

為了驗(yàn)證窄脈寬的影響，本實(shí)驗(yàn)選擇了一款最大額定電壓為20V的驅(qū)動(dòng)芯片，并按照上圖3所示的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)中，芯片供電電壓設(shè)置為15V，負(fù)載電容C1為27nF，輸入信號(hào)頻率為100kHz，脈沖寬度分別為20ns、2μs和9.98μs（對(duì)應(yīng)20ns負(fù)向窄脈寬）。

在相同脈寬下，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電阻R1的大小，來(lái)改變開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流和電流變化率，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示，圖中黃色線(xiàn)條表示輸入信號(hào)，綠色線(xiàn)條表示輸出信號(hào)。

表2 實(shí)際電路驗(yàn)證結(jié)果

如上結(jié)果所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電阻為1Ω時(shí)，20ns的正向窄脈寬會(huì)導(dǎo)致-9V的負(fù)向過(guò)沖；同樣，20ns的負(fù)向脈寬會(huì)導(dǎo)致27.4V的正向過(guò)沖，超過(guò)了芯片的額定值，會(huì)存在失效風(fēng)險(xiǎn)。正常脈寬下，OUT輸出沒(méi)有正負(fù)過(guò)沖現(xiàn)象。此外，還可以看出，在相同脈寬輸入時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流越大，輸出腳的正向或負(fù)向電壓應(yīng)力越高；因此減小驅(qū)動(dòng)電流可以有效減小窄脈寬產(chǎn)生的正負(fù)過(guò)沖電壓。

3）解決方案和建議

通過(guò)上面的分析和驗(yàn)證可以看出窄脈寬下過(guò)大的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)對(duì)輸出應(yīng)力產(chǎn)生嚴(yán)重影響。系統(tǒng)應(yīng)用中為了避免驅(qū)動(dòng)器輸出應(yīng)力超標(biāo)，建議客戶(hù)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化和解決。