TPS28226：高性能同步 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的性能對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的效率、可靠性和性能起著至關(guān)重要的作用。今天，我們就來深入探討一款由德州儀器（TI）推出的高性能同步 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器——TPS28226。

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一、產(chǎn)品概述

TPS28226 是一款專為 N 溝道互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 設(shè)計(jì)的高速驅(qū)動(dòng)器，具備自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制功能。它經(jīng)過優(yōu)化，適用于各種高電流單相位和多相位 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，能夠提供高效率、小尺寸和低 EMI 排放的解決方案。

（一）產(chǎn)品特性

1. 自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制：擁有 14ns 的自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間，有效避免上下管同時(shí)導(dǎo)通，減少直通電流，提高系統(tǒng)效率。
2. 寬電壓范圍：
   • 柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為 4.5V 至 8.8V，在 7V 至 8V 時(shí)效率最佳，能適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。
   • 電源系統(tǒng)輸入電壓范圍為 3V 至 27V，輸入 PWM 信號(hào)幅度為 2.0V 至 13.2V，具備良好的兼容性。
3. 高電流驅(qū)動(dòng)能力：能夠驅(qū)動(dòng)每相電流≥40A 的 MOSFET，滿足高功率應(yīng)用場(chǎng)景。
4. 高頻操作：傳播延遲僅 14ns，上升/下降時(shí)間為 10ns，允許開關(guān)頻率 (F_{SW}) 高達(dá) 2MHz，還能傳播小于 30ns 的輸入 PWM 脈沖。
5. 低側(cè)驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通電阻：低側(cè)驅(qū)動(dòng)器灌電流導(dǎo)通電阻僅 0.4Ω，可防止 dV/dt 相關(guān)的直通電流。
6. 多種保護(hù)功能：具備 3 態(tài) PWM 輸入用于功率級(jí)關(guān)斷、Enable 和 Power Good 信號(hào)共享引腳、熱關(guān)斷和 UVLO 保護(hù)等功能，提高系統(tǒng)的可靠性。
7. 內(nèi)置自舉二極管：方便使用半橋配置中的 N 溝道 MOSFET，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。
8. 緊湊封裝：提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 SOIC - 8 和熱增強(qiáng)型 3mm x 3mm DFN - 8 封裝，節(jié)省 PCB 空間。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

• 多相位 DC - DC 轉(zhuǎn)換器：適用于模擬或數(shù)字控制的多相位 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，可提高電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度。
• 桌面和服務(wù)器 VRMs 及 EVRDs：滿足服務(wù)器等設(shè)備對(duì)高效穩(wěn)定電源的需求。
• 便攜式和筆記本調(diào)節(jié)器：為便攜式設(shè)備提供高效的電源管理解決方案。
• 隔離電源的同步整流：提高隔離電源的效率和性能。

二、產(chǎn)品詳細(xì)解析

（一）引腳配置與功能

（二）技術(shù)參數(shù)

1. 絕對(duì)最大額定值

涵蓋輸入電源電壓范圍、啟動(dòng)電壓、相位電壓、輸入輸出電壓范圍等參數(shù)，同時(shí)對(duì)連續(xù)總功率耗散、工作結(jié)溫范圍、環(huán)境溫度范圍等進(jìn)行了限制，確保器件在安全的工作條件下運(yùn)行。例如，輸入電源電壓 (V_{DD}) 范圍為 - 0.3V 至 8.8V，工作結(jié)溫范圍為 - 40°C 至 150°C。

2. ESD 額定值

人體模型（HBM）為 ±2000V，充電器件模型（CDM）為 ±500V，表明器件具備一定的靜電防護(hù)能力，但在使用過程中仍需注意靜電防護(hù)措施。

3. 推薦工作條件

推薦輸入電源電壓 (V{DD}) 為 6.8V 至 8V，典型值為 7.2V，功率輸入電壓 (V{IN}) 為 3V 至 (32V - V_{DD})，工作結(jié)溫范圍為 - 40°C 至 125°C。在這些條件下使用，可確保器件性能的穩(wěn)定性和可靠性。

4. 電氣特性

包括欠壓鎖定、偏置電流、輸入（PWM）、使能/電源良好、上下柵極驅(qū)動(dòng)器輸出、自舉二極管、熱關(guān)斷等方面的參數(shù)。例如，欠壓鎖定上升閾值典型值為 6.35V，下降閾值為 5.0V，滯回電壓為 1.35V；下柵極驅(qū)動(dòng)器灌電流輸出電阻典型值為 0.4Ω 等。

5. 開關(guān)特性

UGATE 和 LGATE 的關(guān)斷傳播延遲典型值均為 14ns，LGATE 關(guān)斷到 UGATE 導(dǎo)通以及 UGATE 關(guān)斷到 LGATE 導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間典型值也為 14ns，這些參數(shù)有助于實(shí)現(xiàn)高效的開關(guān)操作。

（三）功能特性

1. 欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)輸入電源電壓 (V{DD}) 不足以為外部功率 FET 提供可靠驅(qū)動(dòng)時(shí)，UVLO 電路會(huì)使驅(qū)動(dòng)器禁用，外部功率 FET 處于關(guān)斷狀態(tài)。上電時(shí)，只有當(dāng) (V{DD}) 達(dá)到 UVLO 閾值（典型值 6.35V）時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)輸出才會(huì)根據(jù)輸入 PWM 和 EN/PG 信號(hào)確定狀態(tài)。下電時(shí)，UVLO 閾值設(shè)定較低（典型值 5.0V），通過 1.35V 的滯回電壓防止驅(qū)動(dòng)器在輸入電壓跨越 UVLO 閾值時(shí)頻繁開關(guān)。同時(shí)，當(dāng) (V_{DD}) 不足時(shí)，器件會(huì)通過內(nèi)部拉低 EN/PG 引腳向系統(tǒng)控制器發(fā)送信號(hào)。

2. 輸出低電平有效

即使驅(qū)動(dòng)器未上電，該電路也能有效保持柵極輸出為低電平，防止外部功率 FET 出現(xiàn)開路柵極情況，避免在主功率級(jí)供電電壓先于驅(qū)動(dòng)器上電時(shí)意外導(dǎo)通。

3. 使能/電源良好（Enable/Power Good）

該電路允許 TPS28226 在 EN/PG 引腳電壓高于最大 2.1V 時(shí)跟隨 PWM 輸入信號(hào)，具備獨(dú)特的雙向通信能力。當(dāng)輸入電壓 (V_{DD}) 低于 UVLO 閾值或發(fā)生熱關(guān)斷時(shí)，內(nèi)部 MOSFET 會(huì)通過 1kΩ 電阻將 EN/PG 引腳拉低，向系統(tǒng)控制器表明驅(qū)動(dòng)器未準(zhǔn)備好。此外，EN/PG 引腳還可作為驅(qū)動(dòng)器的第二個(gè)脈沖輸入，與 PWM 輸入配合，實(shí)現(xiàn)同步降壓調(diào)節(jié)器作為傳統(tǒng)降壓調(diào)節(jié)器的功能，在某些特定應(yīng)用中具有重要意義。

4. 3 態(tài)輸入

當(dāng) EN/PG 引腳設(shè)置為高電平且輸入 PWM 脈沖啟動(dòng)后，死區(qū)時(shí)間控制電路可確保 UGATE 和 LGATE 驅(qū)動(dòng)輸出不重疊，消除外部功率 FET 的直通電流。同時(shí)，TPS28226 具有自調(diào)節(jié)的 PWM 3 態(tài)輸入電路，當(dāng)輸入信號(hào)處于高阻態(tài)至少 250ns 時(shí)，可將兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)置為低電平，使外部功率 FET 關(guān)斷。3 態(tài)窗口的下限閾值固定在約 1.0V，上限閾值可根據(jù)輸入信號(hào)幅度進(jìn)行自調(diào)節(jié)，允許輸入 PWM 脈沖信號(hào)在較寬的幅度范圍內(nèi)工作。要退出 3 態(tài)操作模式，PWM 信號(hào)需至少高低變化一次，以恢復(fù)自舉電容上可能在 3 態(tài)模式下放電的電壓。

5. 自舉二極管

自舉二極管在低側(cè) FET 導(dǎo)通時(shí)，從輸入電壓 (V_{DD}) 為連接在 BOOT 和 PHASE 引腳之間的自舉電容充電，為 UGATE 驅(qū)動(dòng)器提供電源電壓。在初始階段，當(dāng)兩個(gè)功率 FET 都關(guān)斷時(shí)，自舉電容通過包含 PHASE 引腳、輸出電感和大輸出電容的路徑預(yù)充電至 GND。在偏置電流為 100mA 時(shí)，二極管的正向電壓降僅為 1.0V，可在高頻操作期間快速恢復(fù)自舉電容的電荷。

6. 上下柵極驅(qū)動(dòng)器

上下柵極驅(qū)動(dòng)器可對(duì)功率 MOSFET 的輸入電容進(jìn)行充電和放電，使開關(guān)頻率可達(dá) 2MHz。輸出級(jí)由 P 溝道 MOSFET 提供源電流、N 溝道 MOSFET 提供灌電流，其導(dǎo)通電阻針對(duì)同步降壓轉(zhuǎn)換器在低占空比、額定穩(wěn)態(tài)條件下的工作進(jìn)行了優(yōu)化。UGATE 輸出驅(qū)動(dòng)器能夠傳播小于 30ns 的 PWM 輸入脈沖，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間，避免直通電流。

7. 死區(qū)時(shí)間控制

死區(qū)時(shí)間控制電路對(duì)于在整個(gè)占空比范圍內(nèi)、使用不同功率 MOSFET 時(shí)實(shí)現(xiàn)最高效率和無直通電流操作至關(guān)重要。通過檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器輸出變?yōu)榈碗娖?，該電路在第一個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出降至指定閾值以下之前，不會(huì)允許另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的柵極驅(qū)動(dòng)輸出變?yōu)楦唠娖?。這種控制死區(qū)時(shí)間的方法稱為自適應(yīng)控制，整體死區(qū)時(shí)間還包括固定部分，以確保不會(huì)出現(xiàn)重疊。典型死區(qū)時(shí)間約為 14ns，能根據(jù)電感電流方向保持適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間，可應(yīng)用于降壓和升壓調(diào)節(jié)器或任何功率 MOSFET 互補(bǔ)開關(guān)的橋接配置中。較短的最佳死區(qū)時(shí)間可根據(jù)開關(guān)頻率提高 1% 至 2% 的效率，同時(shí)可消除在特定邊界條件下有效占空比調(diào)制的風(fēng)險(xiǎn)。

8. 熱關(guān)斷

當(dāng)結(jié)溫超過 160°C 時(shí)，熱關(guān)斷電路會(huì)將兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出拉低，使低側(cè)和高側(cè)功率 FET 關(guān)斷。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器冷卻至 140°C 以下后，將恢復(fù)正常操作并跟隨外部控制電路的 PWM 輸入和 EN/PG 信號(hào)。在熱關(guān)斷狀態(tài)下，內(nèi)部 MOSFET 會(huì)將 EN/PG 引腳拉低，表明驅(qū)動(dòng)器未準(zhǔn)備好繼續(xù)正常操作，可作為整個(gè)系統(tǒng)過熱的額外保護(hù)措施。

三、應(yīng)用與設(shè)計(jì)

（一）應(yīng)用信息

在功率設(shè)備的快速開關(guān)過程中，為減少開關(guān)功率損耗，通常需要在控制器的 PWM 輸出和功率半導(dǎo)體器件的柵極之間使用強(qiáng)大的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。特別是在數(shù)字電源中，由于數(shù)字控制器的 PWM 信號(hào)通常為 3.3V 邏輯信號(hào)，無法有效導(dǎo)通功率開關(guān)，需要 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和緩沖驅(qū)動(dòng)。此外，MOSFET 驅(qū)動(dòng)器還可減少高頻開關(guān)噪聲的影響、驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)變壓器、控制浮動(dòng)功率器件的柵極，將柵極電荷功率損耗從控制器轉(zhuǎn)移到驅(qū)動(dòng)器，降低控制器的功耗和熱應(yīng)力。

（二）典型應(yīng)用

以多相高電流降壓電源中的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器為例，如圖所示，該設(shè)計(jì)使用一個(gè)高側(cè) MOSFET Q10 和兩個(gè)并聯(lián)的低側(cè) MOSFET Q8 和 Q9，由 TPS28226 驅(qū)動(dòng)，并由多相降壓 DC - DC 控制器（如 TPS40090）控制。由于 TPS28226 具有內(nèi)部直通保護(hù)功能，每個(gè)通道只需一個(gè) PWM 控制信號(hào)。

1. 設(shè)計(jì)要求

該 VRM 參考設(shè)計(jì)每相能夠驅(qū)動(dòng) 35A 電流，輸入電壓標(biāo)稱值為 12V，公差范圍為 ±5%，開關(guān)頻率為 500kHz，標(biāo)稱占空比為 10%，低側(cè) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)間為 90%。通過選擇較低的 (R_{DS(on)}) 值，可將開關(guān)元件的導(dǎo)通損耗降至最低。同時(shí)，對(duì)輸出電壓、頻率、負(fù)載電流瞬態(tài)時(shí)的輸出電壓峰 - 峰變化以及動(dòng)態(tài)輸出電壓變化斜率等參數(shù)都有具體要求。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)流程

• 自舉電流限制：通過改變電阻 R32 來限制自舉電流，防止自舉電容過充電，減慢高側(cè) MOSFET 的導(dǎo)通過渡，減少開關(guān)節(jié)點(diǎn)的峰值幅度和振鈴，降低 Cdv/dt 引起的低側(cè) MOSFET 直通電流的可能性。
• 吸收電路設(shè)計(jì)：由 C50 與 R51 以及 C51 與 R52 組成的吸收電路有助于減少開關(guān)噪聲。
• 輸出元件選擇：考慮到輸出電壓快速變化的要求，選擇小電容值的輸出電容和低電感的電感。由于占空比小，低側(cè) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，因此選擇兩個(gè)低側(cè) MOSFET 以提高熱性能和效率。
• 驅(qū)動(dòng)電壓和死區(qū)時(shí)間優(yōu)化：使用最佳驅(qū)動(dòng)電壓和最佳死區(qū)時(shí)間的驅(qū)動(dòng)器可將效率提高達(dá) 5%。8V 驅(qū)動(dòng)電壓相比 5V 驅(qū)動(dòng)可使效率提高 2% 至 3%，其余 1% 至 2% 的效率提升可歸因于減少的死區(qū)時(shí)間。在開關(guān)頻率高于 400kHz 的范圍內(nèi)，7V 至 8V 驅(qū)動(dòng)電壓是最佳選擇。
• MOSFET 開關(guān)設(shè)計(jì)：在高開關(guān)頻率下高效驅(qū)動(dòng) MOSFET 需要特別注意布局和減少寄生電感。通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器芯片和封裝以及 PCB 布局，可將寄生電感降至最低。實(shí)際測(cè)量表明，由于寄生電感的存在，實(shí)際波形會(huì)出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，但通過合理設(shè)計(jì)可有效控制。使用 DFN - 8 封裝可將內(nèi)部寄生電感降低約 50%。

（三）系統(tǒng)示例

文檔中還給出了 TPS28226 在降壓電源中的典型應(yīng)用示例，包括單相位 POL 調(diào)節(jié)器、同步整流驅(qū)動(dòng)器和多相同步降壓轉(zhuǎn)換器等。這些示例展示了 TPS28226 在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的靈活性和高性能。

四、電源供應(yīng)建議與布局規(guī)則

（一）電源供應(yīng)建議

TPS28226 的工作電源電壓范圍為 4.5V 至 8V，下限由欠壓鎖定閾值決定。當(dāng) (V{DD}) 過低時(shí)，UVLO 會(huì)禁用驅(qū)動(dòng)器，使功率 FET 關(guān)斷。建議在 (V{DD}) 和 GND 之間使用 0.22μF 至 4.7μF 的低 ESR 陶瓷去耦電容，以提供穩(wěn)定的電源。

（二）布局規(guī)則

良好的布局對(duì)于提高設(shè)計(jì)的開關(guān)特性和效率至關(guān)重要。以下是一些布局準(zhǔn)則：

1. 驅(qū)動(dòng)器位置：將驅(qū)動(dòng)器盡可能靠近 MOSFET 放置，減少寄生電感和信號(hào)延遲。
2. 電容放置：將 (V_{DD}) 和自舉電容盡可能靠近驅(qū)動(dòng)器放置，保證電源的穩(wěn)定性。
3. GND 走線：使用 DFN - 8 封裝的散熱焊盤作為 GND，將其連接到 GND 引腳，并確保驅(qū)動(dòng)器的 GND 走線或焊盤直接連接到 MOSFET 的源極，但不包括主電流通過 MOSFET 漏極和源極的高電流路徑。
4. PHASE 節(jié)點(diǎn)處理：對(duì) PHASE 節(jié)點(diǎn)采用與 GND 類似的處理方式。
5. 驅(qū)動(dòng)走線：UGATE 和 LGATE 采用寬走線，寬度最好在 80 至 100mils 之間，并緊密跟隨相關(guān)的 PHASE 和 GND 走線。
6. 過孔使用：如果 MOSFET 驅(qū)動(dòng)走線需要從一層路由到另一層，至少使用 2 個(gè)或更多過孔。對(duì)于 GND，過孔數(shù)量不僅要考慮寄生電感，還要考慮散熱焊盤的要求。
7. 信號(hào)隔離：避免 PWM 和使能走線靠近 PHASE 節(jié)點(diǎn)和焊盤，防止高 dV/dT 電壓在相對(duì)高阻抗引腳上引入顯著噪聲。

不佳的布局可能會(huì)導(dǎo)致效率降低 3% 至 5%，甚至降低整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。通過參考文檔中的典型布局示例和相關(guān)波形圖，可以更好地理解和應(yīng)用這些布局規(guī)則。

五、總結(jié)

TPS28226 是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的同步 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，具有寬電壓范圍、高電流驅(qū)動(dòng)能力、高頻操作、多種保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)。通過合理的設(shè)計(jì)和布局，它能夠在多相位 DC - DC 轉(zhuǎn)換器、服務(wù)器電源、便攜式設(shè)備等眾多應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮出色的性能，為電子工程師提供了一個(gè)可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和應(yīng)用場(chǎng)景，充分發(fā)揮 TPS28226 的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)注意布局和電源供應(yīng)等方面的細(xì)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)最佳