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窄脈寬信號對驅(qū)動芯片的影響

納芯微 ? 來源:納芯微 ? 作者:納芯微 ? 2024-11-26 09:12 ? 次閱讀

1)窄脈寬的來源

驅(qū)動芯片在各種電力電子系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用,例如整流器、DC-DC變換器、逆變器變頻器等,其工作頻率和占空比范圍在不同系統(tǒng)中各不相同。

常規(guī)整流器的PFC部分,根據(jù)輸入電壓的范圍不同,其下管的占空比可以在0%到100%之間變化;

常見的DC-DC變換器中,開機時通常會有緩啟功能,其輸出脈寬會從零開始逐步增大;另外,當輸出負載或輸入電壓發(fā)生瞬態(tài)跳變時,輸出會出現(xiàn)瞬態(tài)變化,系統(tǒng)環(huán)路會根據(jù)輸出電壓的變化來調(diào)整驅(qū)動器的輸入脈寬,在調(diào)整過程中,可能出現(xiàn)極大或極小的輸出脈寬;

橋式逆變器中,當輸出電壓達到最大或最小峰值時,也可能出現(xiàn)極大和極小的輸出脈寬。

wKgaoWdFIJGAdNjHAAD_5PnoOSg940.png

圖1 正負向窄脈寬(圖源:納芯微)

如果這些極大或極小脈寬沒有得到有效限制,可能會影響驅(qū)動器的穩(wěn)定工作;嚴重情況下甚至?xí)?dǎo)致驅(qū)動器或系統(tǒng)失效。

2)正負窄脈寬對驅(qū)動芯片的影響

下圖2所示,是一種常見的MOSFET驅(qū)動電路,虛線框內(nèi)為一個輸出通道的結(jié)構(gòu)示意圖,其輸出采用PMOS+NMOS結(jié)構(gòu)。驅(qū)動器在控制功率管MOSFET M1開通和關(guān)斷時,會對功率MOSFET M1的柵極拉出和灌入電流。在窄脈寬開通情況下,驅(qū)動器收到關(guān)斷指令會將MOSFET M1關(guān)斷,此時MOSFET M1的開通過程還沒有完成,驅(qū)動器的輸出仍然維持在較高的電流,當該電流突然變化,在PCB走線寄生電感和驅(qū)動器內(nèi)部寄生電感的共同作用下,會在驅(qū)動器的輸出引腳產(chǎn)生很大的電壓應(yīng)力,該應(yīng)力可能導(dǎo)致芯片失效。

wKgZoWdFIJGAVyiWAADbmhTsjUI453.png

圖2 常見功率MOSFET驅(qū)動電路(圖源:納芯微)

為了分析和驗證,將MOSFET的門極輸入電容采用電容C1來代替,如下圖3所示。

wKgaoWdFIJKAGSvPAADKnJIl4qo927.png

圖3 實驗簡化電路(圖源:納芯微)

考慮到PCB和芯片內(nèi)部的寄生電感,其等效電路如下圖4所示,其中L1、L4和L5為芯片內(nèi)部寄生電感(Lbonding),L2和L3為PCB上的寄生電感(LPCB)。

wKgaomdFIJOAaKz9AAJSaLwxhO0461.png

圖4 等效電路(圖源:納芯微)

? 下面將對不同脈寬下驅(qū)動器的應(yīng)力產(chǎn)生和影響進行簡要介紹。

1. 正向窄脈寬的狀態(tài)分析

t0~t1期間,驅(qū)動芯片內(nèi)部的NMOS M3導(dǎo)通,PMOS M2關(guān)斷,OUT輸出為低,此時驅(qū)動回路中的Isrc和Isnk電流均為零;

t1時刻,NMOS M3關(guān)斷,PMOS M2導(dǎo)通,OUT輸出拉高,給負載電容C1充電,Isnk電流為零;

t2時刻,PMOS M2關(guān)斷,NMOS M3導(dǎo)通,OUT輸出被拉低,此時驅(qū)動電流Isrc不為零。該電流在芯片內(nèi)部寄生電感和PCB走線寄生電感的共同作用下,對PMOS M2和NMOS M3的寄生輸出電容進行充放電,從而導(dǎo)致OUT出現(xiàn)負向過沖電壓。驅(qū)動器內(nèi)部輸出Pad的電壓應(yīng)力可以用如下公式(1)進行估算。

wKgZomdFIJOAdo4rAAASZrrT6cU678.png(圖源:納芯微)

其中各參數(shù)的定義如下:

VGate: MOSFET的柵極電壓

Lbonding:IC內(nèi)部的鍵合線產(chǎn)生的寄生電感,通常約為5nH

LPCB:驅(qū)動器輸出引腳到柵極的PCB引線寄生電感

RG:MOSFET的柵極驅(qū)動電阻

wKgaomdFIJSAVaqnAAI2UfEwvRA043.png

表1 不同脈寬狀態(tài)分析(圖源:納芯微)

2. 正常脈寬的狀態(tài)分析

t0~t1期間,驅(qū)動芯片內(nèi)部NMOS M3導(dǎo)通,PMOS M2關(guān)斷,OUT輸出為低,驅(qū)動回路中Isrc和Isnk電流為零;

t1時刻,NMOS M3關(guān)斷后,PMOS M2導(dǎo)通,OUT輸出拉高,負載電容C1充電,當電容C1充滿電后,Isrc恢復(fù)到0,Isnk電流保持為零;

t2時刻,PMOS M2關(guān)斷后,NMOS M3開通,OUT輸出被拉低,負載電容C1放電,當電容C1放電結(jié)束后,Isnk電流恢復(fù)到零;

OUT輸出轉(zhuǎn)換過程中,lsrc或Isnk都是由零上升或下降到峰值,然后恢復(fù)到零,OUT輸出沒有明顯的正向或負向過沖電壓。

3. 負向窄脈寬的狀態(tài)分析

t0~t1期間,驅(qū)動芯片內(nèi)部PMOS M2導(dǎo)通,NMOS M3關(guān)斷,OUT輸出為高,驅(qū)動回路中Isrc和Isnk電流為零;

t1時刻,NMOS M3導(dǎo)通,OUT輸出拉低,負載電容C1放電;

t2時刻,NMOS M3關(guān)斷,PMOS3開通,OUT輸出被拉高,此時驅(qū)動回路中電流Isnk不為零,該電流在芯片內(nèi)部的寄生電感和PCB走線的寄生電感的共同作用下,對PMOS M2和NMOS M3的寄生輸出電容進行充放電,導(dǎo)致OUT輸出出現(xiàn)顯著的正向過沖電壓。

?實際電路驗證

為了驗證窄脈寬的影響,本實驗選擇了一款最大額定電壓為20V的驅(qū)動芯片,并按照上圖3所示的實驗電路進行測試。

實驗中,芯片供電電壓設(shè)置為15V,負載電容C1為27nF,輸入信號頻率為100kHz,脈沖寬度分別為20ns、2μs和9.98μs(對應(yīng)20ns負向窄脈寬)。

在相同脈寬下,通過調(diào)整驅(qū)動電阻R1的大小,來改變開通和關(guān)斷時的驅(qū)動電流和電流變化率,得到實驗結(jié)果如下所示,圖中黃色線條表示輸入信號,綠色線條表示輸出信號。

wKgZomdFIJWAR2T_AASeMJ7C2fo004.png

表2 實際電路驗證結(jié)果(圖源:納芯微)

如上結(jié)果所示,當驅(qū)動電阻為1Ω時,20ns的正向窄脈寬會導(dǎo)致-9V的負向過沖;同樣,20ns的負向脈寬會導(dǎo)致27.4V的正向過沖,超過了芯片的額定值,會存在失效風險。正常脈寬下,OUT輸出沒有正負過沖現(xiàn)象。此外,還可以看出,在相同脈寬輸入時,驅(qū)動電流越大,輸出腳的正向或負向電壓應(yīng)力越高;因此減小驅(qū)動電流可以有效減小窄脈寬產(chǎn)生的正負過沖電壓。

3)解決方案和建議

通過上面的分析和驗證可以看出窄脈寬下過大的驅(qū)動電流會對輸出應(yīng)力產(chǎn)生嚴重影響。系統(tǒng)應(yīng)用中為了避免驅(qū)動器輸出應(yīng)力超標,建議客戶從以下幾個方面進行優(yōu)化和解決。

PCB布局時盡量將驅(qū)動器與功率管就近放置,減小驅(qū)動器輸出引腳到功率管門極之間的走線電感。

驅(qū)動器的供電電容盡可能靠近芯片的電源引腳,且同層放置,減小因過孔和走線產(chǎn)生的寄生電感。

在系統(tǒng)應(yīng)用中,對最大和最小驅(qū)動輸出脈寬進行限制,確保開通和關(guān)斷前一刻驅(qū)動輸出電流已降為零,避免輸出出現(xiàn)過大的正向或負向過沖電壓。

適當調(diào)整驅(qū)動電阻,減小窄脈寬驅(qū)動回路中的電流和電流變化率。

審核編輯 黃宇

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