汽車(chē)級(jí)隔離式雙路柵極驅(qū)動(dòng)器UCC21550-Q1：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

引言

在電子工程師的日常工作中，柵極驅(qū)動(dòng)器是功率電子系統(tǒng)里的關(guān)鍵組件，它對(duì)功率晶體管的快速開(kāi)關(guān)和降低開(kāi)關(guān)損耗起著至關(guān)重要的作用。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（Texas Instruments）推出的UCC21550-Q1汽車(chē)級(jí)4A、6A增強(qiáng)隔離式雙路柵極驅(qū)動(dòng)器，看看它有哪些獨(dú)特之處以及在實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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產(chǎn)品特性剖析

通用性與可靠性

UCC21550-Q1具有非常高的通用性，它既可以作為雙低側(cè)驅(qū)動(dòng)器、雙高側(cè)驅(qū)動(dòng)器，也能充當(dāng)半橋驅(qū)動(dòng)器。而且，它通過(guò)了AEC - Q100認(rèn)證，器件溫度等級(jí)為1級(jí)，結(jié)溫范圍在 - 40°C至 + 150°C之間，這使得它在汽車(chē)等對(duì)可靠性要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景中能夠穩(wěn)定工作。

強(qiáng)大的輸出能力

該驅(qū)動(dòng)器具備高達(dá)4A的峰值源電流和6A的峰值灌電流輸出，能夠輕松驅(qū)動(dòng)功率MOSFET、SiC、GaN和IGBT等多種類(lèi)型的晶體管。同時(shí)，其共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）大于125V/ns，能夠有效抵抗共模干擾，保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

靈活的電源配置

UCC21550-Q1的輸出驅(qū)動(dòng)電源最高可達(dá)25V，并且提供5V、8V、12V的VDD欠壓鎖定（UVLO）選項(xiàng)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活選擇。此外，它還具有快速禁用功能，可用于電源排序，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可控性。

出色的開(kāi)關(guān)性能

在開(kāi)關(guān)參數(shù)方面，UCC21550-Q1表現(xiàn)出色。典型傳播延遲為33ns，最大脈沖寬度失真為5ns，最大VDD上電延遲為10μs，這些參數(shù)確保了驅(qū)動(dòng)器能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)輸入信號(hào)，減少開(kāi)關(guān)損耗。

應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

UCC21550-Q1適用于多種汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，如車(chē)載電池充電器、高壓DC - DC轉(zhuǎn)換器、汽車(chē)HVAC和車(chē)身電子等。以車(chē)載電池充電器為例，它需要高效、可靠的柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制功率晶體管的開(kāi)關(guān)，UCC21550-Q1的高性能特性正好滿足了這一需求。

器件詳細(xì)解讀

引腳配置與功能

UCC21550-Q1有DW（SOIC，16）和DWK（SOIC，14）兩種封裝類(lèi)型，不同封裝的引腳配置有所不同。每個(gè)引腳都有其特定的功能，例如DIS引腳用于禁用或啟用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出，GND為初級(jí)側(cè)接地參考，INA和INB分別為A通道和B通道的輸入信號(hào)等。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求對(duì)引腳進(jìn)行合理連接和配置。

規(guī)格參數(shù)分析

絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值非常重要，它規(guī)定了器件在正常工作時(shí)所能承受的最大電壓、電流和溫度等參數(shù)。例如，VCCI至GND的輸入偏置電源電壓范圍為 - 0.3V至6V，VDDA、VDDB至VSS的輸出偏置電源電壓范圍為 - 0.3V至30V等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須確保器件的工作參數(shù)在這些額定值范圍內(nèi)，以避免器件損壞。

電氣特性

UCC21550-Q1的電氣特性包括電源電流、欠壓閾值、輸入輸出閾值等。例如，VCC靜態(tài)電流在不同條件下有所不同，VDDx靜態(tài)電流也會(huì)隨著輸入信號(hào)和VDD電壓的變化而變化。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估器件的功耗和性能至關(guān)重要。

開(kāi)關(guān)特性

開(kāi)關(guān)特性決定了驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度和開(kāi)關(guān)質(zhì)量。如傳播延遲、上升和下降時(shí)間、最小輸入脈沖寬度等參數(shù)，都直接影響著功率晶體管的開(kāi)關(guān)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

以UCC21550-Q1驅(qū)動(dòng)典型半橋配置為例，我們需要考慮多個(gè)方面的設(shè)計(jì)要求。

輸入濾波器設(shè)計(jì)

為了濾除因非理想布局或長(zhǎng)PCB走線引入的振鈴，建議使用小的輸入(R{IN}-C{IN})濾波器。在選擇(R{IN})和(C{IN})時(shí)，要注意在良好的抗噪性和傳播延遲之間進(jìn)行權(quán)衡。

外部自舉二極管和串聯(lián)電阻選擇

自舉電容在低側(cè)晶體管導(dǎo)通時(shí)通過(guò)外部自舉二極管由VDD充電，因此需要選擇高壓、快速恢復(fù)的二極管或SiC肖特基二極管，以減少反向恢復(fù)損耗和接地噪聲。同時(shí)，使用自舉電阻可以限制涌入電流和電壓上升斜率。

柵極驅(qū)動(dòng)電阻選擇

外部柵極驅(qū)動(dòng)電阻(R{ON}/R{OFF})用于限制振鈴、微調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和減少電磁干擾。在計(jì)算峰值源電流和灌電流時(shí)，需要考慮到PCB布局和負(fù)載電容的影響。

柵源電阻選擇

柵源電阻(R_{GS})用于在柵極驅(qū)動(dòng)器輸出無(wú)電源且處于不確定狀態(tài)時(shí)下拉柵源電壓，降低因米勒電流導(dǎo)致的dv/dt感應(yīng)導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)。

柵極驅(qū)動(dòng)器功率損耗估算

柵極驅(qū)動(dòng)器子系統(tǒng)的總損耗包括UCC21550-Q1的功率損耗和外圍電路的功率損耗。通過(guò)合理估算功率損耗，可以確定器件的熱安全相關(guān)限制。

結(jié)溫估算

使用結(jié)到頂部表征參數(shù)(Psi_{JT})可以更準(zhǔn)確地估算UCC21550-Q1的結(jié)溫，避免因結(jié)溫過(guò)高導(dǎo)致器件性能下降或損壞。

電容選擇

為了實(shí)現(xiàn)可靠的性能，需要為VCCI、VDDA和VDDB選擇合適的旁路電容。要選擇低ESR和低ESL的多層陶瓷電容器（MLCC），并注意DC偏置對(duì)電容值的影響。

死區(qū)時(shí)間設(shè)置

在半橋功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲?，死區(qū)時(shí)間設(shè)置對(duì)于防止動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)期間的直通至關(guān)重要。我們可以根據(jù)系統(tǒng)要求和實(shí)際情況選擇合適的死區(qū)時(shí)間。

布局指南

PCB布局對(duì)于UCC21550-Q1的性能至關(guān)重要。在布局時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 元件放置：將低ESR和低ESL電容靠近器件連接，減少寄生電感；將死區(qū)時(shí)間設(shè)置電阻和旁路電容靠近DT引腳；在連接DIS引腳到微控制器時(shí)，使用低ESR/ESL電容進(jìn)行旁路。
• 接地考慮：將晶體管柵極的充放電高峰值電流限制在最小物理區(qū)域內(nèi)，減少環(huán)路電感和噪聲；注意高電流路徑的長(zhǎng)度和面積，確保系統(tǒng)的可靠性。
• 高壓考慮：避免在驅(qū)動(dòng)器器件下方放置PCB走線或銅箔，使用PCB切口防止污染，提高隔離性能；增加高低側(cè)PCB走線之間的爬電距離，確保高壓操作的安全性。
• 熱考慮：通過(guò)合理的PCB布局，將器件產(chǎn)生的熱量散發(fā)到PCB上，降低結(jié)到板的熱阻抗。

支持與認(rèn)證

德州儀器為UCC21550-Q1提供了豐富的支持資源，包括相關(guān)文檔、技術(shù)論壇等。同時(shí)，該器件還獲得了UL、VDE、CQC、CSA等多項(xiàng)認(rèn)證，這進(jìn)一步證明了其可靠性和安全性。

總結(jié)

UCC21550-Q1作為一款高性能的汽車(chē)級(jí)隔離式雙路柵極驅(qū)動(dòng)器，具有通用性強(qiáng)、輸出能力大、開(kāi)關(guān)性能好等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)其特性和規(guī)格參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和布局，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的功率電子系統(tǒng)。各位工程師在使用過(guò)程中，不妨多關(guān)注其細(xì)節(jié)參數(shù)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，遇到問(wèn)題也可以參考德州儀器提供的支持資源，相信它會(huì)為你的設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的便利和可能性。你在使用類(lèi)似柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。