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[资料分享] 理解电源PWM及控制芯片的驱动能力

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一粒金砂(中级)

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发表于 2017-2-20 17:49:14 | 只看该作者 |倒序浏览 |阅读模式
MOSFET应用于不同的开关电源以及电力电子系统,除了部分的应用使用专门的驱动芯片、光耦驱动器或变压器驱动器,大量的应用通常使用PWM IC或其它控制芯片直接驱动。在论述功率MOSFET的开关损耗之前,先讨论一下控制芯片的驱动能力,因为控制芯片的驱动能力直接影响功率MOSFET的开关特性,开关损耗以及工作的可靠性。

1、控制芯片内部Totem图腾柱驱动器

在PWM控制芯片及其它电源控制器的内部,集成了用于驱动功率MOSFET的Totem图腾柱驱动器,最简单的图腾柱驱动器如图1所示,由一个NPN三极管和一个PNP三极管对管组成,有时候也会用一个N沟道MOSFET的一个P沟道MOSFET对管组成,工作原理相同。

(a) 图腾柱驱动器

(b) 图腾柱的等效电路
图1: 图腾柱驱动器及等效电路

图1(a)的图腾柱驱动器,当输入信号为高电平时上管导通,其输出为高电平,上管通过电源提供输出电流,通常称为Source电流(源电流),由于上管导通时有导通压降,在一定的电流下对应着一定的电阻,因此这个电阻通常称为上拉电阻Rup。

当图腾柱驱动器的输入信号为低电平时下管导通,将MOSFET的G极(栅极)拉到低电位,此时下管灌入电流,通常称为Sink电流(灌电流),下管导通时有导通压降,在一定的电流下对应着一定的电阻,因此这个电阻通常称为下拉电阻Rdown。

等效的简化电路如图1(b)所示,包括一个上拉电阻Rup和一个下拉电阻Rdown。在实际的应用中,不同的控制芯片内部图腾柱驱动器可能采用不同的形式,如图2所示。UC3842采用二个NPN三极管组成,L6561采用一个NPN三极管和一个N沟道的MOSFET组成。

(a) UC3842图腾柱驱动器

(b) L6561图腾柱驱动器
图2:控制芯片图腾柱驱动器结构

2、控制芯片图腾柱驱动能力

通常控制芯片的驱动能力用源电流或灌电流的大小来表示,那么在这里先提出一个问题:表征驱动能力的源电流或灌电流,到底是连续电流还是脉冲电流?

Intersil的驱动器EL7104

EL7104的数据表中标称的驱动能力为:Source 4A/Sink 4A,给出了在100mA测试条件下驱动器的上拉、下拉的电阻值(典型值和最大值),同时也给出了最小的连续驱动电流值200mA,因此可以得出:4A的驱动电流能力应该为脉冲电流值。后面的峰值电流和电源电压的关系图也说明了这一点。



EL7104的数据表容性负载的驱动特性:延时参数



IR的驱动器IR2110

IR2110数据表中的驱动能力:源电流和灌电流都为2A,测试条件为:Vo=15V,脉冲宽度<10us,后面还给出了驱动电流随温度、驱动电压的变化曲线,但是没有内部压降随驱动电流变化的数据。



TI的PWM控制器UC3842

UC3842分别给出了在20mA、200mA测试条件下驱动器的上拉、下拉的电阻上的压降,有典型值和最小值或最大值。后面的图表列出了在脉冲电流和连续电流条件下,输出电流和压降的关系,数据最全。



凌利尔特PWM控制器LTC3850/LT1619

LTC3850电流模式双路PWM控制器,给了驱动器的上拉、下拉的电阻值(典型值),没有列出测试的条件。

LT1619电流模式PWM控制器,分别给出了在20mA、200mA测试条件下驱动器的上拉、下拉的电阻上的压降,有典型值和最小值或最大值。

测试电流有20mA时,VRup=0.35V,Rup=17.5Ohm;VRdown=0.1V,Rdown =5Ohm。

测试电流有200mA时,VRup=1.2V,Rup=6Ohm;VRdown=0.5V,Rdown =2.5Ohm。

从计算的结果可以得到:测试的电流越大,压降也越大,但压降和电流并不是线性的关系,这也容易理解:因为上拉和下拉电阻是等效的驱动器上管和下管的导通压降,其电流和导通压降并不是线性关系。



安森美PFC控制器NCP1602/ NCP1608

NCP1602的驱动器,数据表中的驱动特性为:Source 500mA/Sink 800mA,测试的条件为200mA。

NCP1608的驱动器,数据表中的驱动特性为:Source 500mA/Sink 800mA,测试的条件为100mA。

二个芯片的测试条件不同,那么,NCP1608和NCP1602,哪一个的驱动能力更强呢?



3、理解控制的驱动能力

虽然许多驱动器给出了一定的容性负载条件下的上升、下降延时时间,在实际的应用中,MOSFET具有内部的栅极电阻或外部串联栅极电阻,同时MSOFET在开关过程中不完全是一个理想的电容,会经过米勒平台区域,因此,实际的延时时间将会产生非常大的差异,数据表中的延时值只具有相当有限的参考意义。

功率MOSFET在开关过程中,在米勒平台线性区,由于VGS保持不变,相当于使用恒流源进行驱动,其它的时间段,使用恒压源进行驱动。VGS电压变化时,和时间成指数关系改变。

在VGS电压和时间成指数关系变化的时间段,控制芯片驱动器的电流并不是恒流源,那么对应的上拉、下拉电阻也随着电流的变化而变化,上拉、下拉电阻不固定,就不容易计算相应的时间以及相应的开关损耗。很多文献使用数据表中推荐的上拉、下拉电阻的典型值来计算开关损耗,从上面的分析过程可以知道:不同的芯片、不同的公司,所用的测试条件并不相同,使用数据表中推荐的上拉、下拉电阻的典型值,并不满足实际应用的条件。

建议根据实际应用过程中米勒平台的驱动电流值,选择或计算出相应的上拉、下拉电阻值作为计算开关损耗的基准,使用典型值。因为在开关过程中米勒平台的时间占主导,使用这个基准所产生的误差并不大。然后再用比例系数校核在最大的上拉、下拉电阻值时最大的开关损耗,这样就可以知道开关损耗波动的范围,从而保证系统的效率和MOSFET的温升在设计要求的规范内。

许多公司新一代的芯片有时候并没有标出上述驱动器的参数,这是因为相比于上一代,为了降低成本,必须降低器件的硅片的面积。在PWM及电源控制器中,相关的数字逻辑、基准运放所占的硅片的面积为必须功能,流过它们的电流也比较小,因此减小硅片面积的空间不大。内部的图腾驱动器由于流过较大电流,要占用较大的硅片面积,这一部分对芯片的功能影响不明显,因此降低成本最直接的方法就是减小内部图腾驱动器的硅片面积,也就是降低驱动能力,这样导致上拉、下拉的电阻增加,相应的压降也会增加。

因此对于没有标出内部驱动器的驱动参数的芯片,使用时要根据外面驱动的功率MOSFET的特性校核开关过程,要特别小心,必要的时候,使用对管组成外部的图腾驱动器,以增强驱动的能力。

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