窄脈寬信號對驅(qū)動芯片的影響

1）窄脈寬的來源

驅(qū)動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；
• 在常見的DC-DC變換器中，開機時通常會有緩啟功能，其輸出脈寬會從零開始逐步增大；另外，當(dāng)輸出負載或輸入電壓發(fā)生瞬態(tài)跳變時，輸出會出現(xiàn)瞬態(tài)變化，系統(tǒng)環(huán)路會根據(jù)輸出電壓的變化來調(diào)整驅(qū)動器的輸入脈寬，在調(diào)整過程中，可能出現(xiàn)極大或極小的輸出脈寬；
• 在橋式逆變器中，當(dāng)輸出電壓達到最大或最小峰值時，也可能出現(xiàn)極大和極小的輸出脈寬。

圖1 正負向窄脈寬

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

2）正負窄脈寬對驅(qū)動芯片的影響

下圖2所示，是一種常見的MOSFET驅(qū)動電路，虛線框內(nèi)為一個輸出通道的結(jié)構(gòu)示意圖，其輸出采用PMOS+NMOS結(jié)構(gòu)。驅(qū)動器在控制功率管MOSFET M1開通和關(guān)斷時，會對功率MOSFET M1的柵極拉出和灌入電流。在窄脈寬開通情況下，驅(qū)動器收到關(guān)斷指令會將MOSFET M1關(guān)斷，此時MOSFET ?M1的開通過程還沒有完成，驅(qū)動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走線寄生電感和驅(qū)動器內(nèi)部寄生電感的共同作用下，會在驅(qū)動器的輸出引腳產(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 常見功率MOSFET驅(qū)動電路

為了分析和驗證，將MOSFET的門極輸入電容采用電容C1來代替，如下圖3所示。

圖3 實驗簡化電路

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

? 下面將對不同脈寬下驅(qū)動器的應(yīng)力產(chǎn)生和影響進行簡要介紹。

1. 正向窄脈寬的狀態(tài)分析

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

其中各參數(shù)的定義如下：

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

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)動芯片內(nèi)部NMOS M3導(dǎo)通，PMOS M2關(guān)斷，OUT輸出為低，驅(qū)動回路中Isrc和Isnk電流為零；
• t1時刻，NMOS M3關(guān)斷后，PMOS M2導(dǎo)通，OUT輸出拉高，負載電容C1充電，當(dāng)電容C1充滿電后，Isrc恢復(fù)到0，Isnk電流保持為零；
• t2時刻，PMOS M2關(guān)斷后，NMOS M3開通，OUT輸出被拉低，負載電容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輸出沒有明顯的正向或負向過沖電壓。

3. 負向窄脈寬的狀態(tài)分析

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

??實際電路驗證

為了驗證窄脈寬的影響，本實驗選擇了一款最大額定電壓為20V的驅(qū)動芯片，并按照上圖3所示的實驗電路進行測試。

實驗中，芯片供電電壓設(shè)置為15V，負載電容C1為27nF，輸入信號頻率為100kHz，脈沖寬度分別為20ns、2μs和9.98μs（對應(yīng)20ns負向窄脈寬）。

在相同脈寬下，通過調(diào)整驅(qū)動電阻R1的大小，來改變開通和關(guān)斷時的驅(qū)動電流和電流變化率，得到實驗結(jié)果如下所示，圖中黃色線條表示輸入信號，綠色線條表示輸出信號。

表2 實際電路驗證結(jié)果

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

3）解決方案和建議

通過上面的分析和驗證可以看出窄脈寬下過大的驅(qū)動電流會對輸出應(yīng)力產(chǎn)生嚴(yán)重影響。系統(tǒng)應(yīng)用中為了避免驅(qū)動器輸出應(yīng)力超標(biāo)，建議客戶從以下幾個方面進行優(yōu)化和解決。