最小的双通道低边栅极驱动IC

采用小尺寸封装的EiceDRIVER^TM 2EDN双通道低边栅极驱动IC可助力实现超高功率密度设计，同时提高可靠性和性能
 
文：英飞凌科技资深系统应用工程师Antonello Laneve，首席产品应用工程师Walter Balzarotti和隔离型IC技术营销主管Diogo Varajao博士
 
校对：英飞凌科技高级主任工程师 陈杰
 
为了给诸如人工智能、计算机视觉和机器学习等新兴应用中使用的GPU和CPU供电，数据中心和计算系统的整体功率水平日益提高。因此，要满足与日俱增的功率密度和效率要求，不仅需要对功率开关技术（如GaN和SiC）和新的拓扑结构进行创新，而且需要进一步优化栅极驱动IC。功率半导体的工作频率从数百kHz到MHz不等，再加上快速开关瞬态，这对栅极驱动电路提出了新的挑战，它必须确保在这些关键型基础设施应用中实现安全可靠的运行。因此，栅极驱动IC在保护系统，确保系统稳健运行的同时，还要为提高处理功率起到关键作用。为了支持实现这一点，英飞凌不久前推出了具有5A源/漏输出电流能力的新一代双通道低边栅极驱动IC。现在，EiceDRIVER^TM 2EDN产品系列进一步壮大，增加了采用小型引线框架SOT23 (2.9 x 2.8 mm) 6引脚封装和超小型无引线TSNP (1.5 x 1.1 mm) 6引脚封装的产品。这些新封装型号有助于实现灵活布局、缩小占板空间并进一步优化栅极驱动环路，以便为高功率密度应用提供更出色的开关性能。图1以行业标准SMD电阻器为参考，直观地展示了采用超小型TSNP封装的全新EiceDRIVER^TM 2EDN7534U的尺寸，如图所示，其占板空间与0603电阻器差不多。
 
 
图1：占板空间对比：采用TSNP 封装的EiceDRIVER^TM 2EDN7534U 较之于SMD电阻器
 
除提供多个封装选项之外，新的EiceDRIVER^TM 2EDN产品系列还具备一个经优化的输出级，可实现驱动电压有源箝位、更短欠压锁定（UVLO）启动时间和更低电流消耗。不仅如此，高精度传播延迟允许两路并行输出，可将电流能力提高至两倍，并最大限度地减少死区时间损耗，从而达到很高系统效率。图2（右图）显示了一个通过实现两路并行输出获益匪浅的应用示例：混合开关电容转换器(HSC)中的同步整流级通常在没有栅极电阻器的情况下运行，以实现最快开关瞬态。使用EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x产品的另一个应用示例是服务器SMPS中典型的中心抽头整流器，如图2所示。全新EiceDRIVER^TM 2EDN7534B采用SOT23封装，其性能与其他采用行业标准封装（DSO和TSSOP）的产品一样，但占用的PCB面积更小，这一点在空间受限的设计中尤为重要。
 
 
 
图2a：CT整流器
 
 
图2b：HSC拓扑中的SR
 
图2a和2b：全新EiceDRIVER™ 2EDN7534产品的应用示例

     
产品系列概况
EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x产品系列可提供5种不同封装：3种工业级标准的8引脚封装DSO (SOIC)、TSSOP和WSON，以及专为超高功率密度应用设计的小型6引脚封装SOT23和TSNP。每种封装类型都可提供不同的峰值电流能力、正向输入和反向输入以及专门的欠压锁定电平，以满足不同目标应用的要求。表1概括列出了可提供的产品和特性。
 
 
表1：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x产品系列概览表
 
输出电压有源箝位
启动过程中，VDD引脚上的驱动器偏置电压必然上升，如果栅极驱动IC实现了调制方案，那么，UVLO保护功能的目的是防止MOSFET以线性模式运行。然而，在通用栅极驱动IC中，UVLO输出箝位通常是利用无源箝位电阻来实现的（图3左图），因此，UVLO激活时间较长，在诸如微控制器(MCU)和栅极驱动器由不同电源供电等情况下，这可能导致输出在被主动驱动为低电平之前，出现多个有害的V_GS脉冲。
 
事实上，电阻型无源箝位的激活时间取决于驱动器内部的RC时间常数，即数量级为几µs。在这段较长的激活时间内，输出通常不能正确地箝位到低电平， MOSFET可能会工作在线性区。
 
 
图3a：通用RC型无源箝位
 
 
图3b：新一代EiceDRIVER^TM 2EDN
 
图3a和3b：通用RC型无源箝位（上图）较之于新一代EiceDRIVER^TM 2EDN中实现的输出电压有源箝位机制（下图）
 
为了克服这个问题，全新EiceDRIVER^TM 2EDN通过引入快速可靠的输出电压有源箝位机制，优化了输出级，如图3右图所示。有源箝位机制可检测输出引脚上的电压，并使V_GS保持在安全的低电压状态，直到UVLO解除。所以，驱动器能够在驱动器VDD电压启动过程中做出更快的反应，从而防止在向功率开关栅极施加低VGS栅极电压时发生MOSFET开关动作。
 
图4所示为EiceDRIVER^TM 2EDN输出电压有源箝位性能报告。驱动器VDD电源电压一经达到1.2V，输出电压有源箝位机制就会被激活，OUT引脚会在大约20ns激活时间内被主动下拉至安全关断电平。其反应速度比无源箝位机制的RC时间常数快得多，后者可能需要数十微秒甚或更长时间。
 
 
图4a：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x输出电压有源箝位
 
 
图4b：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x输出电压有源箝位
 
图4a和4b：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x输出电压有源箝位
 
 
图5将输出电压有源箝位(EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x)的输出波形与市场上的类似器件在弱上拉条件下的无源箝位输出波形进行了对比。如图所示，EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x性能更加可靠，在VDD启动期间使OUT电压保持在安全的低电平。
 
 
图5a：无源箝位电阻
 
 
图5b：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x有源箝位
 
图5a和5b：弱上拉条件下OUT引脚无源箝位和有源箝位
 
输出电压有源箝位机制还可防止当开关节点处于高dV/dt瞬态时，流经米勒电容C_gd的位移电流导致电压耦合到V_GS，从而造成MOSFET重新导通。在这种情况下，EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x的输出级检测到快速电压瞬态，并快速激活有源箝位机制，以在VDD低于UVLO阈值时将栅极保持在安全关断状态。图6对这两种不同的箝位机制进行了对比。
 
 
图6a：无源箝位电阻
 
 
图6b：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x有源箝位
 
图6a和6b：高dV/dt瞬态时的无源箝位和有源箝位
 
在上述所有考虑事项的条件下，快速输出电压有源箝位机制可以在短时间内使OUTPUT引脚保持在安全的低电压状态，而不会让开关栅极暴露于意外的感应噪声和潜在的有害的线性模式运行。
 
欠压锁定启动时间和静态电流消耗
在系统启动过程中，或从欠压状态恢复时，驱动器从UVLO状态恢复所需时间t_START至关重要。事实上，当系统从UVLO状态恢复时，MCU和栅极驱动IC有不同的电源，MCU会在UVLO解除之前向驱动器发送PWM脉冲。在这种情况下，在驱动器电源电压升至高于阈值（UVLOON）之前，可能会部分或完全丢失几个脉冲。
 
丢失PWM脉冲可能导致开关不同位置的导通时间不对称，造成电路参数不对称，在最坏情况下还会造成磁性器件磁饱和并产生有害的浪涌电流。UVLO解除时间（t_START）越长，丢失PWM脉冲数量越多，不对称性越严重。正因如此，输出电压有源箝位机制必须快速准确地做出反应。
 
市场上大多数栅极驱动IC的UVLO启动时间为5µs或更长。全新EiceDRIVER^TM 2EDN栅极驱动IC的UVLO启动时间(tSTART)为1.8µs（典型值），因此，在解除UVLO时仅丢失最少数量PWM脉冲，从而实现安全的转换器启动和可靠运行。图7所示为UVLO恢复过程中的t_START实测数据。
 
 
图7a：PWM输入
 
 
图7b：PWM输出
 
图7a和7b：EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x在UVLO恢复过程中的PWM输入和驱动器输出
 
与市场上的类似IC相比，新EiceDRIVER^TM 2EDN系列提供了所有所述的改进功能，同时保持较低的静态电流，如图8所示。这有助于降低待机状态下的整体静态电流消耗，以防在未施加PWM信号的情况下启用驱动器。
 
  
图8：EiceDRIVER^TM 2EDN静态电流与其他厂商产品对比
 
为双通道低边驱动器尺寸树立新标杆
EiceDRIVER^TM 2EDN可提供所有工业级的8引脚封装：DSO (SOIC)、TSSOP和无引线WSON。为了助力提高功率密度，英飞凌推出了非常紧凑的6引脚封装SOT23和TSNP，在某些应用中将两个未使用的ENABLE引脚移除（通过内部上拉连接到VDD）或直接短接到VDD。较之于DSO封装，新的SOT23封装可以节省73%的PCB面积，而TSNP封装则比WSON封装节省81%的空间，如下图所示。
 
 
图9：新的SOT23封装和TSNP封装与行业标准封装的尺寸对比
 
特别是在高功率密度应用中，栅极驱动IC整体尺寸大幅缩小有利于优化电路板布线，减小总的占板空间，并且允许将栅极驱动IC放置在最佳位置，以最大限度地减小栅极驱动环路。例如，凭借内部高精度计时器，可以将采用TSNP 封装的EiceDRIVER™ 2EDN7534U配置为双通道并联驱动一个OptiMOS™，使其驱动能力提升至2倍。将IC直接放置在OptiMOS™的栅极引脚旁边，最大限度地减少栅极信号振铃。
 
全新2EDN小型封装带来的好处
得益于封装尺寸缩小，2EDN栅极驱动IC非常适于驱动低边MOSFET。事实上，两个输出级可以重复用于驱动高频变压器并提供数百毫瓦功率，以满足大多数隔离型偏置电源的要求，为浮栅驱动器的输出级供电。
 
图10所示为采用SOT23封装的EiceDRIVER^TM 2EDN7533B用于产生两个隔离的正压和负压电源的电路布线示例。两个输出OUTA和OUTB配置为全桥逆变器，以驱动具有低绕组间电容的紧凑型高频变压器(XT04)。隔离型栅极驱动IC和偏置电源板(KIT_1EDB_AUX_SiC)尺寸仅为8.5mm x 17.5mm，因而适合放置在高密度高压功率级中。它可以提供高达1.5W的平均输出功率，同时保持良好的负载调节。可以获得不同的输出正压和负压电源轨，以匹配不同的SiC MOSFET。通过适当调整电路，可以从10V输入单极电源轨获得+18V/-1V、+18V/-5V、+15V/-4V和+20V/-3V。可以采用KIT_1EDB_AUX_GaN示范的方法，将EiceDRIVER^TM 1EDN用于GaN HEMT器件。这个评估板还包括一个可选电路，可使用TL432并联稳压器实现1%电压调节。
 
KIT_1EDB_AUX_SiC评估板的横截面（图11）经专门设计，可以焊接到DSO-8单通道隔离型栅极驱动IC（如EiceDRIVER^TM 1EDB6275F）的封装上，并像在子母板中那样用于取代现有的无隔离电源的DSO8驱动器。
 
 
图10：为SiC MOSFET提供可配置浮动双极偏置电源的隔离型栅极驱动IC (KIT_1EDB_AUX_SiC)
 
 
图11：KIT_1EDB_AUX_SiC，可兼容EiceDRIVER^TM 1EDBxxxxF封装
  
总结
总的来说，本文介绍了英飞凌EiceDRIVER^TM 2EDNxx3x双通道低边栅极驱动IC的优点和优化特性。创新特性包括快速输出电压有源箝位和更短欠压锁定启动时间，这提高了整体系统的稳健性和可靠性。
 
最重要的是，新一代EiceDRIVER^TM 2EDN产品采用了两种新型6引脚封装： SOT23和无引线TSNP，为市场上的封装尺寸树立了新的标杆。这些新型封装有助于创新48V DC-DC中间总线转换器（IBC）拓扑在高性能计算系统中实现超高功率密度设计，而不会影响标准2EDN产品的高性能。
 
总之，EiceDRIVER^TM 2EDN产品搭配英飞凌MOSFET，可以助推高功率应用实现更高功率密度，同时保持设计灵活性以及带独立栅极驱动器和开关的分立式解决方案的可扩展性。