UCC21551x：高性能隔離式雙通道柵極驅(qū)動器的設計與應用

在電子工程師的日常工作中，柵極驅(qū)動器是功率轉(zhuǎn)換和電機驅(qū)動等應用里不可或缺的組件。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的 UCC21551x 4A、6A 增強隔離式雙通道柵極驅(qū)動器，了解它的特性、應用以及設計要點。

文件下載：ucc21551.pdf

特性亮點

靈活的配置

UCC21551x 非常靈活，它可以配置為雙低側(cè)驅(qū)動器、雙高側(cè)驅(qū)動器或半橋驅(qū)動器，能適應各種電源和電機驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)。這意味著我們在設計不同類型的電路時，都可以考慮使用它，大大提高了設計的通用性。

寬溫度范圍

其結(jié)溫范圍為 -40°C 至 +150°C，能在較為惡劣的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。這對于一些對溫度要求較高的應用場景，如汽車電子、工業(yè)控制等，非常重要。

強大的輸出能力

具有高達 4A 的峰值源電流和 6A 的峰值灌電流輸出，能夠為功率 MOSFET、SiC 和 IGBT 晶體管提供足夠的驅(qū)動能力。在驅(qū)動一些大負載的晶體管時，它可以輕松勝任。

高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）

CMTI 大于 125V/ns，這使得它在高噪聲環(huán)境下也能保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，有效抵抗共模干擾，保證信號的準確傳輸。

豐富的保護功能

• 欠壓鎖定（UVLO）：對所有電源都提供 UVLO 保護，當電源電壓低于設定閾值時，能夠及時鎖定輸出，保護電路安全。
• 可編程死區(qū)時間：通過在 DT 引腳連接合適的電阻，可以設置最小死區(qū)時間，防止上下橋臂同時導通，避免短路故障。
• 集成去毛刺濾波器：能夠拒絕短于 5ns 的輸入瞬變，提高電路的抗干擾能力。

應用領(lǐng)域

UCC21551x 的應用范圍十分廣泛，常見的應用場景包括：

• 車載電池充電器：在電動汽車的電池充電系統(tǒng)中，需要高效、可靠的柵極驅(qū)動器來控制功率開關(guān)，UCC21551x 的高性能特性可以滿足這一需求。
• 高壓 DC - DC 轉(zhuǎn)換器：在高壓轉(zhuǎn)換電路中，它的高隔離性能和強大的驅(qū)動能力可以確保轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定運行。
• 汽車 HVAC 和車身電子：在汽車的空調(diào)系統(tǒng)和車身電子控制單元中，對電子元件的可靠性和穩(wěn)定性要求較高，UCC21551x 正好可以滿足這些要求。
• AC - DC 和 DC - DC 隔離式轉(zhuǎn)換器：在隔離式電源設計中，它的隔離特性可以有效保護電路，提高電源的安全性。
• 電機驅(qū)動和逆變器：在電機驅(qū)動系統(tǒng)中，它可以精確控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，提高電機的運行效率。
• 不間斷電源（UPS）：在 UPS 系統(tǒng)中，它可以確保在市電中斷時，能夠快速、穩(wěn)定地切換到備用電源，保障設備的正常運行。

設計要點

電源設計

• 輸入電源（VCCI）：推薦的輸入電源電壓范圍為 2.7V 至 5.5V，在 VCCI 和 GND 引腳之間應放置一個旁路電容，推薦值為 100nF，以提供穩(wěn)定的電源。
• 輸出電源（VDDA/VDDB）：輸出偏置電源電壓范圍取決于具體的 UCC21551x 版本，其下限由內(nèi)部 UVLO 保護功能決定，上限推薦為 25V。在 VDD 和 VSS 引腳之間應放置一個低 ESR 的陶瓷表面貼裝電容，建議使用一個約 10μF 的電容用于器件偏置，再并聯(lián)一個 ≤100nF 的電容用于高頻濾波。

輸入輸出濾波

• 輸入濾波：為了濾除因非理想布局或長 PCB 走線引入的振鈴，建議在 INA 和 INB 引腳使用一個小的 (R{IN}-C{IN}) 濾波器，其中 (R{IN}) 范圍為 0Ω 至 100Ω，(C{IN}) 范圍為 10pF 至 100pF。
• 輸出濾波：為了減少過大的柵極振鈴，建議在 FET 的柵極附近使用鐵氧體磁珠。在出現(xiàn)過沖/下沖情況時，還可以添加外部鉗位二極管，將 OUTx 電壓鉗位到 VDDx 和 VSSx 電壓。

死區(qū)時間設置

在使用半橋拓撲的功率轉(zhuǎn)換器中，上下晶體管之間的死區(qū)時間設置非常重要，可防止動態(tài)開關(guān)時出現(xiàn)直通現(xiàn)象。UCC21551x 的死區(qū)時間設置由 DT 引腳配置決定，計算公式為 (DT{Setting }=DT{Req }+T{F{-} Sys }+T{R{-} Sys }-T{D( on )})，其中 (DT{Req}) 為系統(tǒng)所需的死區(qū)時間，(T{F{-} Sys}) 和 (T{R{-} Sys}) 分別為系統(tǒng)中柵極關(guān)斷和導通的最壞情況上升/下降時間，(T_{D(on)}) 為晶體管柵極信號從 10% 到功率晶體管柵極閾值的導通延遲時間。

PCB 布局

PCB 布局對于 UCC21551x 的性能至關(guān)重要，以下是一些關(guān)鍵的布局要點：

• 元件放置：低 ESR 和低 ESL 的電容應靠近器件放置在 VCCI 和 GND 引腳以及 VDD 和 VSS 引腳之間，以支持外部功率晶體管導通時的高峰值電流。為避免開關(guān)節(jié)點 VSSA（HS）引腳出現(xiàn)大的負瞬變，應盡量減小頂部晶體管源極和底部晶體管源極之間的寄生電感。
• 接地考慮：應將為晶體管柵極充電和放電的高峰值電流限制在最小的物理區(qū)域內(nèi)，以降低環(huán)路電感，減少晶體管柵極端子上的噪聲。柵極驅(qū)動器應盡量靠近晶體管放置。
• 高壓考慮：為確保初級和次級側(cè)之間的隔離性能，應避免在驅(qū)動器器件下方放置任何 PCB 走線或銅箔。建議在 PCB 上進行切割，以防止可能影響 UCC21551x 隔離性能的污染。
• 熱考慮：如果驅(qū)動電壓高、負載重或開關(guān)頻率高，UCC21551x 可能會消耗大量功率。合理的 PCB 布局有助于將熱量從器件散發(fā)到 PCB 上，降低結(jié)到板的熱阻（θJB）。建議增加連接到 VDDA、VDDB、VSSA 和 VSSB 引腳的 PCB 銅箔面積，優(yōu)先考慮最大化與 VSSA 和 VSSB 的連接。

總結(jié)

UCC21551x 以其靈活的配置、強大的輸出能力、高共模瞬態(tài)抗擾度和豐富的保護功能，成為了電源和電機驅(qū)動應用中的理想選擇。在設計過程中，我們需要充分考慮電源設計、輸入輸出濾波、死區(qū)時間設置和 PCB 布局等要點，以確保其性能的充分發(fā)揮。希望通過本文的介紹，能幫助各位工程師更好地了解和應用 UCC21551x。大家在實際應用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。