中心議題：

• 半橋拓撲結構高端MOSFET驅動方案選擇
• 變壓器驅動和矽芯片驅動比較

解決方案：

• 采用NCP5181驅動器IC來驅動器LLC轉換器的MOSFET
• 簡化布線及簡化設計

在節能環保意識的鞭策及世界各地最新能效規範的推動下

，提高能效已經成為業界共識。與反激
、正激

、雙開關反激、雙開關正激和全橋等硬開關技術相比

，雙電感加單電容(LLC)、有源鉗位反激、有源鉗位正激
、非對稱半橋(AHB)及移相全橋等軟開關技術能提供更高的能效。因此，在注重高能效的應用中，軟開關技術越來越受設計人員青睞。

另一方麵，半橋配置最適合提供高能效/高功率密度的中低功率應用。半橋配置涉及兩種基本類型的MOSFET驅動器，即高端(High-Side)驅動器和低端(Low-Side)驅動器。高端表示MOSFET的源極能夠在地與高壓輸入端之間浮動，而低端表示MOSFET的源極始終接地，參見圖1。當高端開關從關閉轉向導通時，MOSFET源極電壓從地電平上升至高壓輸入端電平，這表示施加在MOSFET門極的電壓也必須隨之浮動上升。這要求某種形式的隔離或浮動門驅動電路。與之不同

，低端MOSFET的源極始終接地，故門驅動電壓也能夠接地參考，這使驅動低端MOSFET的門極更加簡單。 所有軟開關拓撲結構都應用帶浮接參考引腳(如MOSFET源極引腳)的功率開關。在如圖1所示的LLC半橋拓撲結構中，高端MOSFETkaiguanlianjiezhigaoyashuruduan
，bunenggoucaiyongzhudianyuankongzhiqilaiqudong，erxuyaolingxingxuandingqudongdianlu。zhequdongdianlushikongzhidianluyugonglvkaiguanzhijiandejiekou，jiangkongzhixinhaofangdazhiqudonggonglvkaiguanguansuoyaoqiudedianping，bingzaigonglvkaiguanguanyuluojidianpingkongzhidianluzhijianyouyaoqiushitigongdianqigeli。gaoduanMOSFET驅動方案常見的有兩種，一是基於變壓器的方案，二是基於矽集成電路(IC)驅動器的方案。本文將分別討論這兩種半橋拓撲結構高端MOSFET驅動方案的設計考慮因素，並從多個角度比較這兩種驅動方案，及提供安森美半導體的建議方案。

變壓器驅動方案
基於變壓器的高端MOSFET驅動方案在設計過程中涉及到一些重要的考慮因素。例如
，由於是對地參考點浮動驅動
，如果設計中存在400 V功率因數校正(PFC)電路
，則要保持500 V隔離。此外，要將漏電感減至最小，否則輸出與輸入繞組之間的延遲可能會損壞功率MOSFET。要遵守法拉第定律
，保持V*T乘(cheng)積(ji)恒(heng)定(ding)，否(fou)則(ze)會(hui)飽(bao)和(he)。要(yao)保(bao)持(chi)足(zu)夠(gou)裕(yu)量(liang)，防(fang)止(zhi)飽(bao)和(he)，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)交(jiao)流(liu)高(gao)壓(ya)輸(shu)入(ru)和(he)瞬(shun)態(tai)負(fu)載(zai)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)。要(yao)使(shi)用(yong)高(gao)磁(ci)導(dao)率(lv)鐵(tie)芯(xin)
，從(cong)而(er)將(jiang)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)(IM)降至最低。要保持高灌電流(sink current)能力，使開關速度加快。

基於變壓器的驅動方案包含兩種主要類型

，分別是單驅動(DRV)輸入和雙驅動輸入
，參見圖2a及圖2b。單驅動輸入方案中，需要增加交流耦合電容(CC)來複位驅動變壓器的磁通。這種方案中的門極-源極電壓(VGS)幅度取決於占空比；另外，穩態時-VC關閉，而在啟動時灌電流能力受限。這種方案需要快速的時間常數(LM//RGS * CC)

，防止由快速瞬態事件導致的磁通走漏(flux walking)。 另外
，在設計過程中，也需要留意跳周期模式或欠壓鎖定(UVLO)時耦合電容與驅動變壓器之間的振鈴
，需要使用二極管來抑製振鈴。

單驅動輸入包括帶直流恢複的單驅動輸入及帶PNP關閉的單驅動輸入。其中，帶直流恢複的單驅動輸入在穩態時VGS取決於占空比，但灌電流能力有限

；後者則采用PNP晶體管+二極管的組合來幫助改善關閉(switching off)操作。此外，對單驅動輸入而言，還不能忽略與門。如果與門驅動能力有限，要增加圖騰柱(totem-pole)驅動器。
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圖2b顯示的是雙極性對稱驅動輸入方案的電路圖。在這種方案中

，兩個輸入(DRVA和DRVB)的極性相反
，位置對稱，故不同於單驅動輸入方案，無需交流耦合電容。這種方案適合推挽型電路，如LLC-HB，但不適合非對稱電路
，如非對稱半橋或有源鉗位。這種方案需要注意線路/負(fu)載(zai)瞬(shun)態(tai)時(shi)的(de)驅(qu)動(dong)變(bian)壓(ya)器(qi)磁(ci)通(tong)，仍(reng)然(ran)需(xu)要(yao)強(qiang)大(da)的(de)關(guan)閉(bi)能(neng)力(li)。需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)由(you)泄(xie)漏(lou)電(dian)感(gan)導(dao)致(zhi)的(de)延(yan)遲(chi)，將(jiang)泄(xie)漏(lou)電(dian)感(gan)減(jian)至(zhi)最(zui)小(xiao)，並(bing)使(shi)用(yong)雙(shuang)輸(shu)出(chu)繞(rao)組(zu)而(er)非(fei)單(dan)輸(shu)出(chu)繞(rao)組(zu)。這(zhe)種(zhong)方(fang)案(an)的(de)另(ling)一(yi)項(xiang)不(bu)足(zu)是(shi)關(guan)閉(bi)電(dian)阻(zu)(Roff)壓降會導致額外的功率損耗。
綜合來看
，變壓器驅動方案有多項優勢
，一是變壓器比裸片更強固，二是對雜散噪聲及高dV/dt脈衝較不敏感，當然，成本也可能更便宜。但其劣勢是電路複雜，需要注意極端線路/負載條件及關閉模式
，且需注意泄漏電感及隔離，還要留意汲電流能力是否夠強。

矽芯片驅動方案
與變壓器驅動方案類似，矽集成電路驅動方案也包含單驅動輸入和雙驅動輸入這兩種類型
，分別見圖3a及圖3b。不過
，這些矽半橋驅動器既能用作高端MOSFET驅動器，也能用作低端MOSFET驅動器。矽芯片高端MOSFET驅動方案采用緊湊、高性能的封裝
，在單顆芯片中集成了驅動高端MOSFETsuoxudedaduoshugongneng
，zengjiashaoshujigewaibuyuanjianhoujiunengtigongkuaisudekaiguansudu，tigongshuansuoguanbigongneng，shuruzhilingyumenqudongshuchuzhijiandeyanchijidi，gonglvhaosanyejiaodi。
但在提供這些優勢的同時
，矽芯片驅動方案也有一些局限，如矽芯片內電壓達600 V
，需要高端隔離，且需要匹配高端驅動與低端驅動之間的傳播延遲，避免使用任何不平衡變壓器。此外，高端驅動器需要自舉供電(bootstrap supply)，並且需較高抗幹擾能力
，抑製高端驅動器的負電壓影響。就高壓隔離而言，需要在電路中增加脈衝觸發器、電平轉換器和同步整流觸發器。其中，電平轉換器維持高達600 V電壓。就匹配延遲而言，在低端驅動器通道上加入延遲時間，從而補償由脈衝觸發器、電(dian)平(ping)轉(zhuan)換(huan)器(qi)和(he)同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu)觸(chu)發(fa)器(qi)導(dao)致(zhi)的(de)高(gao)端(duan)延(yan)遲(chi)。而(er)就(jiu)高(gao)端(duan)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)負(fu)電(dian)壓(ya)而(er)言(yan)，我(wo)們(men)著(zhe)重(zhong)關(guan)注(zhu)半(ban)橋(qiao)支(zhi)路(lu)來(lai)研(yan)究(jiu)。連(lian)接(jie)至(zhi)半(ban)橋(qiao)支(zhi)路(lu)的(de)負(fu)載(zai)是(shi)電(dian)感(gan)型(xing)負(fu)載(zai)
，類(lei)似(si)於(yu)LLC半(ban)橋(qiao)，或(huo)在(zai)最(zui)簡(jian)單(dan)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)是(shi)同(tong)步(bu)降(jiang)壓(ya)結(jie)構(gou)。就(jiu)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)來(lai)看(kan)，寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)和(he)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)等(deng)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)隨(sui)處(chu)可(ke)見(jian)
，橋(qiao)引(yin)腳(jiao)上(shang)的(de)負(fu)電(dian)壓(ya)將(jiang)會(hui)在(zai)驅(qu)動(dong)IC內部產生負電流
，且負電壓會在每個脈衝寬度增大
，直到矽驅動器(或稱驅動器IC)失效。若能在寬溫度範圍內將負脈衝保持在恰當的區域內，驅動器將正常工作；否則
，驅動器將不會正常工作或可能損壞。

安森美半導體在-40℃至+125℃的完整溫度範圍內定義驅動IC的電氣參數，相關的高端MOSFET矽驅動器(參見表1)具有強固的負電壓特性。相比較而言，很多競爭對手僅在+25℃的(de)環(huan)境(jing)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)下(xia)定(ding)義(yi)電(dian)氣(qi)參(can)數(shu)，並(bing)不(bu)總(zong)提(ti)供(gong)溫(wen)度(du)特(te)征(zheng)描(miao)繪(hui)，而(er)且(qie)很(hen)多(duo)競(jing)爭(zheng)對(dui)手(shou)從(cong)特(te)征(zheng)曲(qu)線(xian)中(zhong)析(xi)取(qu)的(de)電(dian)氣(qi)參(can)數(shu)值(zhi)很(hen)可(ke)能(neng)未(wei)顧(gu)及(ji)工(gong)藝(yi)變(bian)化(hua)問(wen)題(ti)。
方案比較及安森美半導體建議
我們以采用變壓器驅動方案和矽驅動器方案的24 V@10 A LLC半橋電路為例來比較這兩種方案。這兩種方案都采用帶雙DRV輸出的LLC控製器NCP1395

，不同的是，前者采用變壓器驅動LLC轉換器的MOSFET，後者采用NCP5181驅動器IC來驅動器LLC轉換器的MOSFET。兩者的波形看上去類似，但比較高端MOSFET關閉時的波形可以發現
，驅動器IC更快速地關閉MOSFET，而且驅動IC關閉MOSFET時快70 ns，從而降低開關損耗；而在高端MOSFET導通時，驅動器IC在高端與低端MOSFET之間能夠保持安全及足夠的死區時間
，優於變壓器驅動方案。而從能效來看
，在相同的輸入功率時，兩種方案的能效沒有顯著區別。

duiyuzheliangzhongfanganeryan，jiujingyinggaixuanzenazhongfanganne？shijishang，ruguojingxinshejidehua，zheliangzhongfangandoukeyi。ansenmeibandaotishenweiyingyongyulvsedianzichanpindeshouyaogaoxingneng、高(gao)能(neng)效(xiao)矽(gui)方(fang)案(an)供(gong)應(ying)商(shang)，我(wo)們(men)的(de)建(jian)議(yi)是(shi)選(xuan)擇(ze)矽(gui)芯(xin)片(pian)驅(qu)動(dong)方(fang)案(an)，因(yin)為(wei)矽(gui)方(fang)案(an)可(ke)以(yi)簡(jian)化(hua)布(bu)線(xian)及(ji)簡(jian)化(hua)設(she)計(ji)，免(mian)去(qu)變(bian)壓(ya)器(qi)需(xu)要(yao)手(shou)動(dong)插(cha)入(ru)的(de)問(wen)題(ti)
，及(ji)可(ke)免(mian)除(chu)變(bian)壓(ya)器(qi)方(fang)案(an)中(zhong)諸(zhu)如(ru)隔(ge)離(li)被(bei)破(po)壞(huai)、磁通走散、關閉後出來未預料到的振鈴等問題。而且要支持纖薄設計的話, 扁平電源中變壓器的高度是個問題
，而矽芯片驅動方案則無此問題。
　
總結：
對於需要高能效的應用而言
，采用軟開關技術的半橋拓撲結構越來越受設計人員青睞。但要驅動半橋拓撲結構中的高端MOSFET，設計人員麵臨著是選擇變壓器或是矽芯片等不同驅動方案的選擇。本文分析了不同驅動方案的設計考慮因素
、相(xiang)關(guan)問(wen)題(ti)及(ji)解(jie)決(jue)之(zhi)道(dao)，並(bing)從(cong)多(duo)個(ge)角(jiao)度(du)對(dui)比(bi)了(le)這(zhe)兩(liang)種(zhong)驅(qu)動(dong)方(fang)案(an)。盡(jin)管(guan)精(jing)心(xin)設(she)計(ji)的(de)話(hua)
，這(zhe)兩(liang)種(zhong)驅(qu)動(dong)方(fang)案(an)都(dou)可(ke)以(yi)良(liang)好(hao)工(gong)作(zuo)
，但(dan)安(an)森(sen)美(mei)半(ban)導(dao)體(ti)建(jian)議(yi)選(xuan)擇(ze)諸(zhu)如(ru)NCP5181這zhe樣yang的de矽gui芯xin片pian驅qu動dong方fang案an，在zai簡jian化hua布bu線xian及ji設she計ji的de同tong時shi，也ye可ke避bi免mian變bian壓ya器qi驅qu動dong方fang案an的de諸zhu多duo問wen題ti，幫bang助zhu設she計ji人ren員yuan縮suo短duan設she計ji周zhou期qi，加jia快kuai產chan品pin上shang市shi進jin程cheng。