UCC2154x：隔離式雙通道柵極驅(qū)動器的卓越之選

在電子設(shè)計領(lǐng)域，柵極驅(qū)動器是驅(qū)動功率晶體管的關(guān)鍵組件，對于提高開關(guān)速度、降低開關(guān)損耗起著至關(guān)重要的作用。德州儀器（TI）推出的 UCC2154x 系列隔離式雙通道柵極驅(qū)動器，憑借其豐富的特性和出色的性能，成為了眾多應(yīng)用場景中的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下 UCC2154x 系列柵極驅(qū)動器。

文件下載：ucc21542.pdf

一、UCC2154x 簡介

UCC2154x 是一系列隔離式雙通道柵極驅(qū)動器，旨在提供高達 4A/6A 的峰值源/灌電流，可用于驅(qū)動功率 MOSFET、IGBT 和 GaN 晶體管。該系列產(chǎn)品具有多種寬體封裝選項，如 DW SOIC - 16 和 DWK SOIC - 14，其中 DWK 封裝還提供 3.3mm 的最小通道間間距，有助于實現(xiàn)更高的總線電壓。

1.1 主要特性

• 寬體封裝選擇：提供 DW SOIC - 16 和 DWK SOIC - 14 兩種封裝，滿足不同應(yīng)用需求。
• 高輸出電流：高達 4A 峰值源電流和 6A 峰值灌電流，能夠為功率晶體管提供強大的驅(qū)動能力。
• 寬輸出電源電壓范圍：輸出驅(qū)動電源 VDD 最高可達 18V，同時提供 5V 和 8V VDD UVLO 選項。
• 高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）：CMTI 大于 125V/ns，能夠有效抵抗共模干擾，確保在復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定工作。
• 快速開關(guān)參數(shù)：典型傳播延遲 33ns，最大脈沖寬度失真 6ns，最大 VDD 上電延遲 10μs，能夠?qū)崿F(xiàn)快速而準確的開關(guān)控制。
• 可編程死區(qū)時間：通過電阻可編程死區(qū)時間，可有效防止半橋應(yīng)用中的直通現(xiàn)象。
• 兼容多種輸入：TTL 和 CMOS 兼容輸入，方便與各種數(shù)字和模擬功率控制器接口。
• 安全認證：計劃獲得多項安全相關(guān)認證，如 DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）的 8000 VPK 加強隔離、UL 1577 的 5700 VRMS 1 分鐘隔離以及 GB4943.1 - 2022 的 CQC 認證。

1.2 產(chǎn)品選型

UCC2154x 系列包括 UCC21540、UCC21540A、UCC21541 和 UCC21542 等不同型號，其主要區(qū)別在于 UVLO 電壓、峰值電流和死區(qū)時間功能等方面。具體選型可參考以下表格：

二、UCC2154x 的詳細特性

2.1 欠壓鎖定（UVLO）保護

UCC2154x 在 VDD 和 VCCI 電源上均具有內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護功能。當 VDD 偏置電壓低于啟動時的 VVDD_ON 或啟動后的 VVDD_OFF 時，VDD UVLO 功能會將通道輸出拉低，無論輸入引腳狀態(tài)如何。同樣，當 VCCI 電源電壓在啟動時低于 VCCI_ON 或啟動后低于 VCCI_OFF 時，輸入無法影響輸出，輸出將被拉低。UVLO 保護還具有遲滯特性，可防止因電源地噪聲引起的抖動，確保設(shè)備在電源電壓波動時的穩(wěn)定工作。

2.2 輸入和輸出邏輯

UCC2154x 的輸入引腳（INA、INB 和 DIS）基于 TTL 和 CMOS 兼容的輸入閾值邏輯，與輸出通道的 VDD 電源電壓完全隔離。輸入引腳易于由邏輯電平控制信號驅(qū)動，具有典型的高閾值（VINAH）為 1.8V 和低閾值為 1V，且受溫度影響較小。寬滯后（VINA_HYS）為 0.8V，提供了良好的抗噪聲能力和穩(wěn)定的操作。如果任何輸入引腳懸空，內(nèi)部下拉電阻會將其拉低。

輸出級采用獨特的上拉和下拉結(jié)構(gòu)。上拉結(jié)構(gòu)由一個 P 溝道 MOSFET 和一個額外的 N 溝道 MOSFET 并聯(lián)組成，在功率開關(guān)開啟過渡的米勒平臺區(qū)域，能夠提供更高的峰值源電流，實現(xiàn)快速開啟。下拉結(jié)構(gòu)由一個 N 溝道 MOSFET 組成，輸出電壓在 VDD 和 VSS 之間擺動，實現(xiàn)軌到軌操作。

2.3 可編程死區(qū)時間

UCC21540/A 和 UCC21541 允許用戶通過兩種方式調(diào)整死區(qū)時間：

• DT 引腳連接到 VCCI：輸出完全匹配輸入，不強制設(shè)置最小死區(qū)時間，允許輸出重疊。為提高抗噪聲能力，建議將該引腳直接連接到 VCCI。
• 在 DT 引腳和 GND 之間連接編程電阻：通過在 DT 引腳和 GND 之間放置電阻 RDT 來編程死區(qū)時間 tDT，計算公式為 tDT ≈ 10 × RDT （tDT 單位為納秒，RDT 單位為千歐）。為提高抗噪聲能力，建議在 DT 引腳附近并聯(lián)一個 ≤1nF 的陶瓷電容器。

可編程死區(qū)時間功能可有效防止半橋應(yīng)用中的直通現(xiàn)象，確保系統(tǒng)的安全可靠運行。

2.4 禁用引腳功能

當 DIS 引腳置高時，兩個輸出將同時關(guān)閉；當 DIS 引腳置低時，UCC2154x 正常運行。在與遠距離微控制器連接時，建議在 DIS 引腳附近使用一個 ≈1 - nF 的低 ESR/ESL 電容器進行旁路。為提高抗噪聲能力，若不使用 DIS 引腳，建議將其連接到 GND。

三、應(yīng)用與設(shè)計

3.1 應(yīng)用場景

UCC2154x 具有靈活的通用性，可作為 MOSFET、IGBT 或 GaN 晶體管的低側(cè)、高側(cè)、高側(cè)/低側(cè)或半橋驅(qū)動器，適用于多種應(yīng)用場景，包括隔離式 AC - DC 和 DC - DC 電源、服務(wù)器、電信、IT 和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、電機驅(qū)動和太陽能逆變器以及工業(yè)運輸?shù)阮I(lǐng)域。

3.2 典型應(yīng)用設(shè)計

以 UCC2154x 驅(qū)動 650 - V MOSFETs 的高低側(cè)配置為例，下面介紹詳細的設(shè)計步驟：

3.2.1 設(shè)計 INA/INB 輸入濾波器

為濾除不理想布局或長 PCB 走線引入的振鈴，可使用一個小的輸入 RIN - CIN 濾波器。建議 RIN 在 0 Ω 到 100 Ω 之間，CIN 在 10 pF 到 100 pF 之間。例如，選擇 RIN = 51 Ω 和 CIN = 33 pF，截止頻率約為 100 MHz。在選擇這些組件時，需注意良好的抗噪聲能力和傳播延遲之間的權(quán)衡。

3.2.2 選擇死區(qū)時間電阻和電容器

根據(jù)死區(qū)時間計算公式 tDT ≈ 10 × RDT，選擇 20 - kΩ 的電阻將死區(qū)時間設(shè)置為 200 ns。在 DT 引腳附近并聯(lián)一個 ≤1nF 的電容器，以提高抗噪聲能力。

3.2.3 選擇外部自舉二極管及其串聯(lián)電阻

自舉電容器在低側(cè)晶體管導(dǎo)通時，通過外部自舉二極管由 VDD 充電。為減少反向恢復(fù)損耗和相關(guān)接地噪聲反彈，建議選擇高壓、快速恢復(fù)二極管或具有低正向壓降和低結(jié)電容的 SiC 肖特基二極管。例如，在 DC - 鏈路電壓為 400 VDC 的情況下，選擇 600 - V 超快二極管 MURA160T3G。

同時，使用自舉電阻 RBOOT 來限制 DBOOT 中的浪涌電流，并限制每個開關(guān)周期內(nèi) VDDA - VSSA 電壓的上升斜率。建議 RBOOT 的值在 1 Ω 到 20 Ω 之間，例如選擇 2.7 Ω 的限流電阻，可將自舉二極管的估計最壞情況峰值電流限制在約 4 A。

3.2.4 柵極驅(qū)動器輸出電阻

外部柵極驅(qū)動器電阻 RON / ROFF 用于限制寄生電感/電容引起的振鈴、高壓/電流開關(guān) dv/dt、di/dt 和體二極管反向恢復(fù)引起的振鈴、微調(diào)柵極驅(qū)動強度以優(yōu)化開關(guān)損耗以及減少電磁干擾（EMI）。

根據(jù)相關(guān)公式可計算出高側(cè)和低側(cè)的峰值源電流和峰值灌電流。同時，需注意 PCB 布局和負載電容會影響估計的峰值電流，建議盡量減小柵極驅(qū)動器回路的長度。為減少過度的柵極振鈴，可在 FET 柵極附近使用鐵氧體磁珠，必要時添加外部鉗位二極管。

3.2.5 柵極到源極電阻選擇

建議在柵極驅(qū)動器輸出未供電且處于不確定狀態(tài)時，使用柵極到源極電阻 RGS 將柵極電壓下拉至源極電壓。該電阻還可幫助減輕在柵極驅(qū)動器能夠開啟并主動拉低之前，由于米勒電流引起的 dv/dt 誘導(dǎo)導(dǎo)通風險。RGS 的阻值通常在 5.1kΩ 到 20kΩ 之間，具體取決于功率器件的 Vth 和 CGD 與 CGS 的比值。

3.2.6 估算柵極驅(qū)動器功耗

柵極驅(qū)動器子系統(tǒng)的總損耗 PG 包括 UCC2154x 的功率損耗 PGD 和外圍電路的功率損耗。PGD 可通過計算靜態(tài)功率損耗 PGDQ 和開關(guān)操作損耗 PGDO 來估算。

靜態(tài)功率損耗 PGDQ 包括驅(qū)動器的靜態(tài)功耗以及在一定開關(guān)頻率下的自功耗，可通過測量給定 VCCI、VDD、開關(guān)頻率和環(huán)境溫度下，OUTA 和 OUTB 無負載時的電流來計算。

開關(guān)操作損耗 PGDO 取決于負載電容，在每個開關(guān)周期內(nèi)驅(qū)動器對負載進行充電和放電。根據(jù)不同的情況，PGDO 有不同的計算方法，具體可參考文檔中的公式。

3.2.7 估算結(jié)溫

UCC2154x 的結(jié)溫 TJ 可通過公式 TJ = TC + ΨJT × PGD 估算，其中 TC 是通過熱電偶或其他儀器測量的 UCC2154x 外殼頂部溫度，ΨJT 是結(jié)到頂部的特征參數(shù)。使用 ΨJT 而不是結(jié)到外殼的熱阻 RΘJC 可以大大提高結(jié)溫估算的準確性。

3.2.8 選擇 VCCI、VDDA/B 電容器

• VCCI 電容器：連接到 VCCI 的旁路電容器支持初級邏輯所需的瞬態(tài)電流和總電流消耗，建議使用電壓額定值足夠、溫度系數(shù)和電容公差合適的低 ESR 和低 ESL 表面貼裝多層陶瓷電容器（MLCC），如 25 - V、電容大于 100 nF 的 MLCC。如果偏置電源輸出與 VCCI 引腳距離較遠，應(yīng)并聯(lián)一個電容大于 1 μF 的鉭或電解電容器。
• VDDA （自舉）電容器：VDD 電容器（自舉電容器）需要提供高達 4 - A 的源峰值電流，并為功率晶體管保持穩(wěn)定的柵極驅(qū)動電壓。根據(jù)總電荷需求和電壓紋波要求，可計算出所需的最小電容值。例如，在給定條件下，計算出最小 CBOOT 要求為 230 nF，但實際應(yīng)用中應(yīng)考慮一定的裕量，選擇 50 - V、1 - μF 的電容器，并將其放置在盡可能靠近 VDD 和 VSS 引腳的位置。為進一步降低寬頻率范圍內(nèi)的交流阻抗，可在 VDDx - VSSx 引腳附近并聯(lián)一個 100 nF 的 X7R 陶瓷電容器。
• VDDB 電容器：通道 B 的電流要求與通道 A 相同，因此需要一個 VDDB 電容器。在自舉配置中，該電容器還需通過自舉二極管為 VDDA 提供電流。例如，可選擇 50 - V、10 - μF 的 MLCC 和 50 - V、220 - nF 的 MLCC。如果偏置電源輸出與 VDDB 引腳距離較遠，應(yīng)并聯(lián)一個電容大于 10 μF 的鉭或電解電容器。

3.3 輸出級負偏置應(yīng)用電路

當非理想 PCB 布局和長封裝引腳引入寄生電感時，功率晶體管的柵極 - 源極驅(qū)動電壓在高 di/dt 和 dv/dt 開關(guān)期間可能會出現(xiàn)振鈴。為避免振鈴超過閾值電壓導(dǎo)致意外導(dǎo)通甚至直通，可在柵極驅(qū)動上施加負偏置。文檔中介紹了三種實現(xiàn)負柵極驅(qū)動偏置的示例電路：

• 使用齊納二極管的隔離電源輸出級負偏置：通過在隔離電源輸出級使用齊納二極管設(shè)置負偏置，該配置需要兩個電源，且存在來自 Rz 的穩(wěn)態(tài)功耗。
• 使用兩個電源的負偏置：該解決方案使用兩個電源（或單輸入雙輸出電源），可更靈活地設(shè)置正負軌電壓，但需要更多的電源。
• 使用單個電源和齊納二極管的負偏置：該方案僅使用一個電源，自舉電源可用于高側(cè)驅(qū)動，成本和設(shè)計工作量較低。但負柵極驅(qū)動偏置不僅取決于齊納二極管，還與占空比有關(guān)，且高側(cè) VDDA - VSSA 必須保持足夠的電壓以維持在推薦的電源范圍內(nèi)，因此不適用于高側(cè) 100% 占空比的情況。

四、布局指南

為了實現(xiàn) UCC2154x 的最佳性能，在 PCB 布局時需要考慮以下幾個方面：

4.1 組件放置

• 在 VCCI 和 GND 引腳之間以及 VDD 和 VSS 引腳之間連接低 ESR 和低 ESL 電容器，以支持外部功率晶體管開啟時的高峰值電流。
• 在橋接配置中，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，以避免開關(guān)節(jié)點 VSSA（HS）引腳上出現(xiàn)大的負瞬變。
• 如果從遠距離微控制器或高阻抗源驅(qū)動 DIS 引腳，建議在 DIS 引腳和 GND 之間添加一個 ≥1000 pF 的小旁路電容器，以提高抗噪聲能力。
• 如果使用死區(qū)時間功能，建議將編程電阻 RDT 和旁路電容器放置在靠近 UCC2154x 的 DT 引腳處，以防止噪聲意外耦合到內(nèi)部死區(qū)時間電路，電容器應(yīng) ≤1 nF。

4.2 接地考慮

• 確保對晶體管柵極進行充電和放電的高峰值電流限制在最小的物理回路面積內(nèi)，以降低回路電感并最小化晶體管柵極端子上的噪聲。柵極驅(qū)動器應(yīng)盡可能靠近晶體管放置。
• 注意包括自舉電容器、自舉二極管、局部 VSSB 參考旁路電容器和低側(cè)晶體管體/反并聯(lián)二極管的高電流路徑。自舉電容器通過自舉二極管由 VDD 旁路電容器逐周期充電，充電過程涉及高峰值電流，因此在電路板上最小化該回路的長度和面積對于確保可靠運行至關(guān)重要。

4.3 高壓考慮

• 為確保初級和次級側(cè)之間的隔離性能，避免在驅(qū)動器設(shè)備下方放置任何 PCB 走線或銅箔，建議使用 PCB 切口以防止可能影響隔離性能的污染。
• 對于半橋或高低側(cè)配置，最大化高低側(cè) PCB 走線之間的 PCB 布局間隙距離。DWK 封裝移除了引腳 12 和 13，具有最小 3.3mm 的爬電距離，允許更高的總線電壓。

4.4 熱考慮

如果驅(qū)動電壓高、負載重或開關(guān)頻率高，UCC2154x 可能會消耗大量功率。合理的 PCB 布局有助于將熱量從設(shè)備散發(fā)到 PCB，并最小化結(jié)到電路板的熱阻抗（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。如果系統(tǒng)中有多層，則