TPS28226：高性能同步 MOSFET 驅動器的卓越之選

在電子設計領域，MOSFET 驅動器的性能對整個電源系統(tǒng)的效率、可靠性和性能起著至關重要的作用。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 驅動器——TPS28226。

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一、產品概述

TPS28226 是一款專為 N 溝道互補驅動功率 MOSFET 設計的高速驅動器，具備自適應死區(qū)時間控制功能。它經過優(yōu)化，適用于各種高電流單相位和多相位 DC - DC 轉換器，能夠提供高效率、小尺寸和低 EMI 排放的解決方案。

（一）產品特性

1. 自適應死區(qū)時間控制：擁有 14ns 的自適應死區(qū)時間，有效避免上下管同時導通，減少直通電流，提高系統(tǒng)效率。
2. 寬電壓范圍：
   • 柵極驅動電壓范圍為 4.5V 至 8.8V，在 7V 至 8V 時效率最佳，能適應不同的應用需求。
   • 電源系統(tǒng)輸入電壓范圍為 3V 至 27V，輸入 PWM 信號幅度為 2.0V 至 13.2V，具備良好的兼容性。
3. 高電流驅動能力：能夠驅動每相電流≥40A 的 MOSFET，滿足高功率應用場景。
4. 高頻操作：傳播延遲僅 14ns，上升/下降時間為 10ns，允許開關頻率 (F_{SW}) 高達 2MHz，還能傳播小于 30ns 的輸入 PWM 脈沖。
5. 低側驅動器導通電阻：低側驅動器灌電流導通電阻僅 0.4Ω，可防止 dV/dt 相關的直通電流。
6. 多種保護功能：具備 3 態(tài) PWM 輸入用于功率級關斷、Enable 和 Power Good 信號共享引腳、熱關斷和 UVLO 保護等功能，提高系統(tǒng)的可靠性。
7. 內置自舉二極管：方便使用半橋配置中的 N 溝道 MOSFET，簡化電路設計。
8. 緊湊封裝：提供經濟實惠的 SOIC - 8 和熱增強型 3mm x 3mm DFN - 8 封裝，節(jié)省 PCB 空間。

（二）應用領域

• 多相位 DC - DC 轉換器：適用于模擬或數字控制的多相位 DC - DC 轉換器，可提高電源轉換效率和功率密度。
• 桌面和服務器 VRMs 及 EVRDs：滿足服務器等設備對高效穩(wěn)定電源的需求。
• 便攜式和筆記本調節(jié)器：為便攜式設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、產品詳細解析

（一）引腳配置與功能

（二）技術參數

1. 絕對最大額定值

涵蓋輸入電源電壓范圍、啟動電壓、相位電壓、輸入輸出電壓范圍等參數，同時對連續(xù)總功率耗散、工作結溫范圍、環(huán)境溫度范圍等進行了限制，確保器件在安全的工作條件下運行。例如，輸入電源電壓 (V_{DD}) 范圍為 - 0.3V 至 8.8V，工作結溫范圍為 - 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能力，但在使用過程中仍需注意靜電防護措施。

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、上下柵極驅動器輸出、自舉二極管、熱關斷等方面的參數。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；下柵極驅動器灌電流輸出電阻典型值為 0.4Ω 等。

5. 開關特性

UGATE 和 LGATE 的關斷傳播延遲典型值均為 14ns，LGATE 關斷到 UGATE 導通以及 UGATE 關斷到 LGATE 導通的死區(qū)時間典型值也為 14ns，這些參數有助于實現高效的開關操作。

（三）功能特性

1. 欠壓鎖定（UVLO）

當輸入電源電壓 (V{DD}) 不足以為外部功率 FET 提供可靠驅動時，UVLO 電路會使驅動器禁用，外部功率 FET 處于關斷狀態(tài)。上電時，只有當 (V{DD}) 達到 UVLO 閾值（典型值 6.35V）時，柵極驅動輸出才會根據輸入 PWM 和 EN/PG 信號確定狀態(tài)。下電時，UVLO 閾值設定較低（典型值 5.0V），通過 1.35V 的滯回電壓防止驅動器在輸入電壓跨越 UVLO 閾值時頻繁開關。同時，當 (V_{DD}) 不足時，器件會通過內部拉低 EN/PG 引腳向系統(tǒng)控制器發(fā)送信號。

2. 輸出低電平有效

即使驅動器未上電，該電路也能有效保持柵極輸出為低電平，防止外部功率 FET 出現開路柵極情況，避免在主功率級供電電壓先于驅動器上電時意外導通。

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 時跟隨 PWM 輸入信號，具備獨特的雙向通信能力。當輸入電壓 (V_{DD}) 低于 UVLO 閾值或發(fā)生熱關斷時，內部 MOSFET 會通過 1kΩ 電阻將 EN/PG 引腳拉低，向系統(tǒng)控制器表明驅動器未準備好。此外，EN/PG 引腳還可作為驅動器的第二個脈沖輸入，與 PWM 輸入配合，實現同步降壓調節(jié)器作為傳統(tǒng)降壓調節(jié)器的功能，在某些特定應用中具有重要意義。

4. 3 態(tài)輸入

當 EN/PG 引腳設置為高電平且輸入 PWM 脈沖啟動后，死區(qū)時間控制電路可確保 UGATE 和 LGATE 驅動輸出不重疊，消除外部功率 FET 的直通電流。同時，TPS28226 具有自調節(jié)的 PWM 3 態(tài)輸入電路，當輸入信號處于高阻態(tài)至少 250ns 時，可將兩個柵極驅動輸出設置為低電平，使外部功率 FET 關斷。3 態(tài)窗口的下限閾值固定在約 1.0V，上限閾值可根據輸入信號幅度進行自調節(jié)，允許輸入 PWM 脈沖信號在較寬的幅度范圍內工作。要退出 3 態(tài)操作模式，PWM 信號需至少高低變化一次，以恢復自舉電容上可能在 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 FET 導通時，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 驅動器提供電源電壓。在初始階段，當兩個功率 FET 都關斷時，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充電至 GND。在偏置電流為 100mA 時，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自舉電容的電荷。

6. 上下柵極驅動器

上下柵極驅動器可對功率 MOSFET 的輸入電容進行充電和放電，使開關頻率可達 2MHz。輸出級由 P 溝道 MOSFET 提供源電流、N 溝道 MOSFET 提供灌電流，其導通電阻針對同步降壓轉換器在低占空比、額定穩(wěn)態(tài)條件下的工作進行了優(yōu)化。UGATE 輸出驅動器能夠傳播小于 30ns 的 PWM 輸入脈沖，同時保持適當的死區(qū)時間，避免直通電流。

7. 死區(qū)時間控制

死區(qū)時間控制電路對于在整個占空比范圍內、使用不同功率 MOSFET 時實現最高效率和無直通電流操作至關重要。通過檢測驅動器輸出變?yōu)榈碗娖?，該電路在第一個驅動器輸出降至指定閾值以下之前，不會允許另一個驅動器的柵極驅動輸出變?yōu)楦唠娖?。這種控制死區(qū)時間的方法稱為自適應控制，整體死區(qū)時間還包括固定部分，以確保不會出現重疊。典型死區(qū)時間約為 14ns，能根據電感電流方向保持適當的死區(qū)時間，可應用于降壓和升壓調節(jié)器或任何功率 MOSFET 互補開關的橋接配置中。較短的最佳死區(qū)時間可根據開關頻率提高 1% 至 2% 的效率，同時可消除在特定邊界條件下有效占空比調制的風險。

8. 熱關斷

當結溫超過 160°C 時，熱關斷電路會將兩個柵極驅動器輸出拉低，使低側和高側功率 FET 關斷。當驅動器冷卻至 140°C 以下后，將恢復正常操作并跟隨外部控制電路的 PWM 輸入和 EN/PG 信號。在熱關斷狀態(tài)下，內部 MOSFET 會將 EN/PG 引腳拉低，表明驅動器未準備好繼續(xù)正常操作，可作為整個系統(tǒng)過熱的額外保護措施。

三、應用與設計

（一）應用信息

在功率設備的快速開關過程中，為減少開關功率損耗，通常需要在控制器的 PWM 輸出和功率半導體器件的柵極之間使用強大的 MOSFET 驅動器。特別是在數字電源中，由于數字控制器的 PWM 信號通常為 3.3V 邏輯信號，無法有效導通功率開關，需要 MOSFET 驅動器進行電平轉換和緩沖驅動。此外，MOSFET 驅動器還可減少高頻開關噪聲的影響、驅動柵極驅動變壓器、控制浮動功率器件的柵極，將柵極電荷功率損耗從控制器轉移到驅動器，降低控制器的功耗和熱應力。

（二）典型應用

以多相高電流降壓電源中的 DC - DC 轉換器為例，如圖所示，該設計使用一個高側 MOSFET Q10 和兩個并聯的低側 MOSFET Q8 和 Q9，由 TPS28226 驅動，并由多相降壓 DC - DC 控制器（如 TPS40090）控制。由于 TPS28226 具有內部直通保護功能，每個通道只需一個 PWM 控制信號。

1. 設計要求

該 VRM 參考設計每相能夠驅動 35A 電流，輸入電壓標稱值為 12V，公差范圍為 ±5%，開關頻率為 500kHz，標稱占空比為 10%，低側 MOSFET 導通時間為 90%。通過選擇較低的 (R_{DS(on)}) 值，可將開關元件的導通損耗降至最低。同時，對輸出電壓、頻率、負載電流瞬態(tài)時的輸出電壓峰 - 峰變化以及動態(tài)輸出電壓變化斜率等參數都有具體要求。

2. 詳細設計流程

• 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 MOSFET 的導通過渡，減少開關節(jié)點的峰值幅度和振鈴，降低 Cdv/dt 引起的低側 MOSFET 直通電流的可能性。
• 吸收電路設計：由 C50 與 R51 以及 C51 與 R52 組成的吸收電路有助于減少開關噪聲。
• 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 MOSFET 導通時間長，因此選擇兩個低側 MOSFET 以提高熱性能和效率。
• 驅動電壓和死區(qū)時間優(yōu)化：使用最佳驅動電壓和最佳死區(qū)時間的驅動器可將效率提高達 5%。8V 驅動電壓相比 5V 驅動可使效率提高 2% 至 3%，其余 1% 至 2% 的效率提升可歸因于減少的死區(qū)時間。在開關頻率高于 400kHz 的范圍內，7V 至 8V 驅動電壓是最佳選擇。
• MOSFET 開關設計：在高開關頻率下高效驅動 MOSFET 需要特別注意布局和減少寄生電感。通過優(yōu)化驅動器芯片和封裝以及 PCB 布局，可將寄生電感降至最低。實際測量表明，由于寄生電感的存在，實際波形會出現振鈴現象，但通過合理設計可有效控制。使用 DFN - 8 封裝可將內部寄生電感降低約 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用示例，包括單相位 POL 調節(jié)器、同步整流驅動器和多相同步降壓轉換器等。這些示例展示了 TPS28226 在不同應用場景下的靈活性和高性能。

四、電源供應建議與布局規(guī)則

（一）電源供應建議

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 (V{DD}) 過低時，UVLO 會禁用驅動器，使功率 FET 關斷。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

良好的布局對于提高設計的開關特性和效率至關重要。以下是一些布局準則：

1. 驅動器位置：將驅動器盡可能靠近 MOSFET 放置，減少寄生電感和信號延遲。
2. 電容放置：將 (V_{DD}) 和自舉電容盡可能靠近驅動器放置，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，并確保驅動器的 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)點處理：對 PHASE 節(jié)點采用與 GND 類似的處理方式。
5. 驅動走線：UGATE 和 LGATE 采用寬走線，寬度最好在 80 至 100mils 之間，并緊密跟隨相關的 PHASE 和 GND 走線。
6. 過孔使用：如果 MOSFET 驅動走線需要從一層路由到另一層，至少使用 2 個或更多過孔。對于 GND，過孔數量不僅要考慮寄生電感，還要考慮散熱焊盤的要求。
7. 信號隔離：避免 PWM 和使能走線靠近 PHASE 節(jié)點和焊盤，防止高 dV/dT 電壓在相對高阻抗引腳上引入顯著噪聲。

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

五、總結

TPS28226 是一款功能強大、性能卓越的同步 MOSFET 驅動器，具有寬電壓范圍、高電流驅動能力、高頻操作、多種保護功能等優(yōu)點。通過合理的設計和布局，它能夠在多相位 DC - DC 轉換器、服務器電源、便攜式設備等眾多應用場景中發(fā)揮出色的性能，為電子工程師提供了一個可靠的解決方案。在實際應用中，我們需要根據具體的設計要求和應用場景，充分發(fā)揮 TPS28226 的優(yōu)勢，同時注意布局和電源供應等方面的細節(jié)，以實現最佳