TPS28225-Q1：高性能N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高性能的MOSFET驅(qū)動(dòng)器對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的TPS28225-Q1汽車級(jí)高頻4A灌電流同步MOSFET驅(qū)動(dòng)器，看看它究竟有哪些獨(dú)特的魅力。

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一、關(guān)鍵特性剖析

1. 廣泛的電壓適應(yīng)性

• 驅(qū)動(dòng)電壓范圍：其柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為4.5V至8.8V，在7V至8V時(shí)效率最佳。這使得它能夠適應(yīng)不同的電源要求，為設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。
• 輸入電壓范圍：電源系統(tǒng)輸入電壓范圍為3V至27V，輸入PWM信號(hào)幅度為2V至13.2V。如此寬泛的輸入范圍，使得該驅(qū)動(dòng)器能夠在多種不同的電源環(huán)境下穩(wěn)定工作。

2. 高頻高效運(yùn)行

• 高速開關(guān)特性：具有14ns的傳播延遲和10ns的上升或下降時(shí)間，允許開關(guān)頻率（FSW）高達(dá)2MHz。這使得它能夠在高頻環(huán)境下快速響應(yīng)，減少開關(guān)損耗，提高電源轉(zhuǎn)換效率。
• 短脈沖處理能力：能夠傳播小于30ns的輸入PWM脈沖，滿足了一些對(duì)脈沖寬度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

3. 強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力

• 大電流驅(qū)動(dòng)：能夠驅(qū)動(dòng)每相電流≥40A的MOSFET，適用于高功率應(yīng)用。
• 低導(dǎo)通電阻：低端驅(qū)動(dòng)器灌電流導(dǎo)通電阻為0.4Ω，有效防止了與dV/dT相關(guān)的直通電流，提高了系統(tǒng)的可靠性。

4. 豐富的保護(hù)功能

• 熱關(guān)斷保護(hù)：當(dāng)芯片溫度過高時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器，保護(hù)芯片不受損壞。
• 欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)：當(dāng)輸入電源電壓不足時(shí)，保持驅(qū)動(dòng)器禁用，防止外部功率FET誤開啟。
• 內(nèi)部自舉二極管：為上柵極驅(qū)動(dòng)器提供電源，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

5. 靈活的控制與狀態(tài)指示

• 三態(tài)PWM輸入：可用于功率級(jí)關(guān)斷，方便系統(tǒng)進(jìn)行靈活控制。
• 使能與電源良好信號(hào)復(fù)用：使能（輸入）和電源良好（輸出）信號(hào)位于同一引腳，節(jié)省了電路板空間。

6. 多樣化的封裝選擇

提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的SOIC - 8和熱增強(qiáng)型3mm×3mm VSON - 8封裝，滿足不同的應(yīng)用需求和散熱要求。

二、典型應(yīng)用場(chǎng)景

1. 多相DC - DC轉(zhuǎn)換器

無論是采用模擬控制還是數(shù)字控制的多相DC - DC轉(zhuǎn)換器，TPS28225-Q1都能夠發(fā)揮其高頻、高效的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)精確的電壓轉(zhuǎn)換和功率分配。

2. 同步整流

在隔離式負(fù)載點(diǎn)（PoL）應(yīng)用中，用于同步整流，提高電源轉(zhuǎn)換效率，減少能量損耗。

3. 無線充電發(fā)射器

其高速開關(guān)特性和大電流驅(qū)動(dòng)能力，使其非常適合用于無線充電發(fā)射器的設(shè)計(jì)，確保高效的能量傳輸。

三、詳細(xì)功能解讀

1. 欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)輸入電源電壓(V{DD})不足以可靠驅(qū)動(dòng)外部功率FET時(shí)，UVLO電路會(huì)使驅(qū)動(dòng)器保持禁用狀態(tài)，外部功率FET處于關(guān)斷狀態(tài)。在電源上電過程中，直到(V{DD})達(dá)到UVLO閾值（典型值為3.5V），柵極驅(qū)動(dòng)輸出才會(huì)根據(jù)輸入PWM和EN/PG信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的操作。在電源下電時(shí)，UVLO閾值會(huì)降低（典型值為3V），通過0.5V的遲滯特性，防止驅(qū)動(dòng)器在輸入電壓穿越UVLO閾值時(shí)頻繁開關(guān)。

2. 輸出低電平有效

即使驅(qū)動(dòng)器未上電，輸出低電平有效電路也能確保柵極輸出保持低電平，避免外部功率FET出現(xiàn)開路柵極狀態(tài)，防止在主功率級(jí)電源電壓先于驅(qū)動(dòng)器上電時(shí)意外開啟。

3. 使能/電源良好（EN/PG）

該電路具有獨(dú)特的雙向通信能力。當(dāng)EN/PG引腳電壓高于2.1V時(shí)，驅(qū)動(dòng)器跟隨PWM輸入信號(hào)。如果輸入電壓(V_{DD})低于UVLO閾值或發(fā)生熱關(guān)斷，內(nèi)部MOSFET會(huì)通過1kΩ電阻將EN/PG引腳拉至地。系統(tǒng)控制器可以根據(jù)EN/PG信號(hào)的狀態(tài)，安排PWM輸入信號(hào)的延遲，直到驅(qū)動(dòng)器釋放EN/PG引腳，恢復(fù)正常工作。此外，內(nèi)部1MΩ電阻在系統(tǒng)控制器與驅(qū)動(dòng)器意外斷開連接時(shí)，會(huì)將EN/PG引腳拉低，禁用驅(qū)動(dòng)器。

4. 三態(tài)輸入

當(dāng)EN/PG引腳置高且輸入PWM脈沖啟動(dòng)后，死區(qū)時(shí)間控制電路確保UGATE和LGATE驅(qū)動(dòng)輸出之間不會(huì)重疊，消除直通電流。三態(tài)輸入電路具有自調(diào)節(jié)功能，能夠適應(yīng)2V至13.2V的寬范圍輸入脈沖幅度。當(dāng)輸入信號(hào)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)至少250ns時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)輸出置低，保護(hù)負(fù)載免受反向輸出電壓的影響。

5. 自舉二極管

自舉二極管在低端FET導(dǎo)通時(shí)，通過對(duì)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。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PHASE引腳、輸出電感和大輸出電容預(yù)充電至地。二極管在100mA偏置電流下的正向電壓降僅為1.0V，有助于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)器能夠?qū)β蔒OSFET的輸入電容進(jìn)行充放電，支持高達(dá)2MHz的開關(guān)頻率。輸出級(jí)由P溝道MOSFET提供源輸出電流，N溝道MOSFET提供灌電流。UGATE輸出驅(qū)動(dòng)器能夠傳播小于30ns的輸入PWM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)實(shí)現(xiàn)最高效率和無直通電流操作至關(guān)重要。通過感應(yīng)驅(qū)動(dòng)器輸出變低，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，不允許另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的柵極驅(qū)動(dòng)輸出變高。這種自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制方式，結(jié)合固定延遲部分，確保在不同的功率MOSFET和負(fù)載條件下都能保持適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間，提高效率，減少輸出紋波。

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，使高低端功率FET關(guān)斷。當(dāng)結(jié)溫冷卻至140°C以下時(shí)，驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)正常工作，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將EN/PG引腳拉低，指示驅(qū)動(dòng)器尚未準(zhǔn)備好繼續(xù)正常操作。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)與建議

1. 布局設(shè)計(jì)

• 靠近放置：將驅(qū)動(dòng)器盡可能靠近MOSFET放置，同時(shí)將(V_{DD})和自舉電容盡可能靠近驅(qū)動(dòng)器，以減少寄生電感的影響。
• 接地處理：特別注意GND走線，使用DFN - 8封裝的散熱焊盤作為GND，并將其連接到GND引腳。GND走線應(yīng)直接連接到MOSFET的源極，但不應(yīng)包含主電流通過MOSFET漏極和源極的高電流路徑。
• 信號(hào)走線：UGATE和LGATE使用寬走線，并緊密跟隨相關(guān)的PHASE和GND走線，寬度在80至100mil之間為宜。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。避免PWM和使能走線靠近PHASE節(jié)點(diǎn)和焊盤，以防止高dV/dT電壓在高阻抗引線上感應(yīng)出顯著的噪聲。

2. 電源供應(yīng)

推薦使用4.5V至8V的偏置電源連接到(V_{DD})引腳，并在該引腳和GND之間放置一個(gè)高質(zhì)量的旁路電容，以提供穩(wěn)定的電源。

3. 三態(tài)輸入注意事項(xiàng)

如果驅(qū)動(dòng)器需要工作在三態(tài)模式，應(yīng)避免在PWM和GND之間連接阻值低于40kΩ的電阻，阻值低于3.5kΩ的電阻會(huì)完全禁用三態(tài)功能。

五、應(yīng)用案例分析

以多相高電流降壓電源為例，使用TPS28225-Q1進(jìn)行設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用單個(gè)高端MOSFET和兩個(gè)并聯(lián)的低端MOSFET，由多相降壓DC/DC控制器（如TPS40090-Q1）進(jìn)行控制。由于TPS28225-Q1具有內(nèi)部直通保護(hù)，每個(gè)通道僅需一個(gè)PWM控制信號(hào)。該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)每相35A的驅(qū)動(dòng)能力，輸入電壓為12V（±5%），開關(guān)頻率為500kHz，標(biāo)稱占空比為10%。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理選擇輸出電容和電感，以及優(yōu)化MOSFET的驅(qū)動(dòng)布局，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換。同時(shí)，通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓和死區(qū)時(shí)間，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率。例如，將驅(qū)動(dòng)電壓從5V提高到8V，可使效率提高2%至3%，而減少死區(qū)時(shí)間可再提高1%至2%的效率。

六、總結(jié)

TPS28225-Q1憑借其廣泛的電壓適應(yīng)性、高頻高效運(yùn)行能力、強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力、豐富的保護(hù)功能以及靈活的控制特性，成為了多相DC - DC轉(zhuǎn)換器、同步整流和無線充電發(fā)射器等應(yīng)用的理想選擇。在設(shè)計(jì)過程中，合理布局、優(yōu)化電源供應(yīng)以及注意三態(tài)輸入的相關(guān)問題，能夠充分發(fā)揮該驅(qū)動(dòng)器的性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

各位工程師朋友，在你們的設(shè)計(jì)中是否也遇到過類似的MOSFET驅(qū)動(dòng)問題呢？你們又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你們的經(jīng)驗(yàn)和見解。