PWM控制芯片的驅動(dòng)能力及工作可靠性

MOSFET應用于不同的開(kāi)關(guān)電源以及電力電子系統，除了部分的應用使用專(zhuān)門(mén)的驅動(dòng)芯片、光耦驅動(dòng)器或變壓器驅動(dòng)器，大量的應用通常使用PWM IC或其它控制芯片直接驅動(dòng)。在論述功率MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗之前，先討論一下控制芯片的驅動(dòng)能力，因為控制芯片的驅動(dòng)能力直接影響功率MOSFET的開(kāi)關(guān)特性，開(kāi)關(guān)損耗以及工作的可靠性。

1、控制芯片內部Totem圖騰柱驅動(dòng)器

在PWM控制芯片及其它電源控制器的內部，集成了用于驅動(dòng)功率MOSFET的Totem圖騰柱驅動(dòng)器，最簡(jiǎn)單的圖騰柱驅動(dòng)器如圖1所示，由一個(gè)NPN三極管和一個(gè)PNP三極管對管組成，有時(shí)候也會(huì )用一個(gè)N溝道MOSFET的一個(gè)P溝道MOSFET對管組成，工作原理相同。

（a） 圖騰柱驅動(dòng)器

（b） 圖騰柱的等效電路

圖1： 圖騰柱驅動(dòng)器及等效電路

圖1（a）的圖騰柱驅動(dòng)器，當輸入信號為高電平時(shí)上管導通，其輸出為高電平，上管通過(guò)電源提供輸出電流，通常稱(chēng)為Source電流（源電流），由于上管導通時(shí)有導通壓降，在一定的電流下對應著(zhù)一定的電阻，因此這個(gè)電阻通常稱(chēng)為上拉電阻Rup。

當圖騰柱驅動(dòng)器的輸入信號為低電平時(shí)下管導通，將MOSFET的G極（柵極）拉到低電位，此時(shí)下管灌入電流，通常稱(chēng)為Sink電流（灌電流），下管導通時(shí)有導通壓降，在一定的電流下對應著(zhù)一定的電阻，因此這個(gè)電阻通常稱(chēng)為下拉電阻Rdown。

等效的簡(jiǎn)化電路如圖1（b）所示，包括一個(gè)上拉電阻Rup和一個(gè)下拉電阻Rdown。在實(shí)際的應用中，不同的控制芯片內部圖騰柱驅動(dòng)器可能采用不同的形式，如圖2所示。UC3842采用二個(gè)NPN三極管組成，L6561采用一個(gè)NPN三極管和一個(gè)N溝道的MOSFET組成。

（a） UC3842圖騰柱驅動(dòng)器

（b） L6561圖騰柱驅動(dòng)器

圖2：控制芯片圖騰柱驅動(dòng)器結構

2、控制芯片圖騰柱驅動(dòng)能力

通?？刂菩酒尿寗?dòng)能力用源電流或灌電流的大小來(lái)表示，那么在這里先提出一個(gè)問(wèn)題：表征驅動(dòng)能力的源電流或灌電流，到底是連續電流還是脈沖電流？

Intersil的驅動(dòng)器EL7104

EL7104的數據表中標稱(chēng)的驅動(dòng)能力為：Source 4A/Sink 4A，給出了在100mA測試條件下驅動(dòng)器的上拉、下拉的電阻值（典型值和最大值），同時(shí)也給出了最小的連續驅動(dòng)電流值200mA，因此可以得出：4A的驅動(dòng)電流能力應該為脈沖電流值。后面的峰值電流和電源電壓的關(guān)系圖也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

EL7104的數據表容性負載的驅動(dòng)特性：延時(shí)參數

IR的驅動(dòng)器IR2110

IR2110數據表中的驅動(dòng)能力：源電流和灌電流都為2A，測試條件為：Vo=15V，脈沖寬度《10us，后面還給出了驅動(dòng)電流隨溫度、驅動(dòng)電壓的變化曲線(xiàn)，但是沒(méi)有內部壓降隨驅動(dòng)電流變化的數據。

TI的PWM控制器UC3842

UC3842分別給出了在20mA、200mA測試條件下驅動(dòng)器的上拉、下拉的電阻上的壓降，有典型值和最小值或最大值。后面的圖表列出了在脈沖電流和連續電流條件下，輸出電流和壓降的關(guān)系，數據最全。

凌利爾特PWM控制器LTC3850/LT1619

LTC3850電流模式雙路PWM控制器，給了驅動(dòng)器的上拉、下拉的電阻值（典型值），沒(méi)有列出測試的條件。

LT1619電流模式PWM控制器，分別給出了在20mA、200mA測試條件下驅動(dòng)器的上拉、下拉的電阻上的壓降，有典型值和最小值或最大值。

測試電流有20mA時(shí)，VRup=0.35V，Rup=17.5Ohm；VRdown=0.1V，Rdown =5Ohm。

測試電流有200mA時(shí)，VRup=1.2V，Rup=6Ohm；VRdown=0.5V，Rdown =2.5Ohm。

從計算的結果可以得到：測試的電流越大，壓降也越大，但壓降和電流并不是線(xiàn)性的關(guān)系，這也容易理解：因為上拉和下拉電阻是等效的驅動(dòng)器上管和下管的導通壓降，其電流和導通壓降并不是線(xiàn)性關(guān)系。

安森美PFC控制器NCP1602/ NCP1608

NCP1602的驅動(dòng)器，數據表中的驅動(dòng)特性為：Source 500mA/Sink 800mA，測試的條件為200mA。

NCP1608的驅動(dòng)器，數據表中的驅動(dòng)特性為：Source 500mA/Sink 800mA，測試的條件為100mA。

二個(gè)芯片的測試條件不同，那么，NCP1608和NCP1602，哪一個(gè)的驅動(dòng)能力更強呢？

3、理解控制的驅動(dòng)能力

雖然許多驅動(dòng)器給出了一定的容性負載條件下的上升、下降延時(shí)時(shí)間，在實(shí)際的應用中，MOSFET具有內部的柵極電阻或外部串聯(lián)柵極電阻，同時(shí)MSOFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中不完全是一個(gè)理想的電容，會(huì )經(jīng)過(guò)米勒平臺區域，因此，實(shí)際的延時(shí)時(shí)間將會(huì )產(chǎn)生非常大的差異，數據表中的延時(shí)值只具有相當有限的參考意義。

功率MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，在米勒平臺線(xiàn)性區，由于VGS保持不變，相當于使用恒流源進(jìn)行驅動(dòng)，其它的時(shí)間段，使用恒壓源進(jìn)行驅動(dòng)。VGS電壓變化時(shí)，和時(shí)間成指數關(guān)系改變。

在VGS電壓和時(shí)間成指數關(guān)系變化的時(shí)間段，控制芯片驅動(dòng)器的電流并不是恒流源，那么對應的上拉、下拉電阻也隨著(zhù)電流的變化而變化，上拉、下拉電阻不固定，就不容易計算相應的時(shí)間以及相應的開(kāi)關(guān)損耗。很多文獻使用數據表中推薦的上拉、下拉電阻的典型值來(lái)計算開(kāi)關(guān)損耗，從上面的分析過(guò)程可以知道：不同的芯片、不同的公司，所用的測試條件并不相同，使用數據表中推薦的上拉、下拉電阻的典型值，并不滿(mǎn)足實(shí)際應用的條件。

建議根據實(shí)際應用過(guò)程中米勒平臺的驅動(dòng)電流值，選擇或計算出相應的上拉、下拉電阻值作為計算開(kāi)關(guān)損耗的基準，使用典型值。因為在開(kāi)關(guān)過(guò)程中米勒平臺的時(shí)間占主導，使用這個(gè)基準所產(chǎn)生的誤差并不大。然后再用比例系數校核在最大的上拉、下拉電阻值時(shí)最大的開(kāi)關(guān)損耗，這樣就可以知道開(kāi)關(guān)損耗波動(dòng)的范圍，從而保證系統的效率和MOSFET的溫升在設計要求的規范內。

許多公司新一代的芯片有時(shí)候并沒(méi)有標出上述驅動(dòng)器的參數，這是因為相比于上一代，為了降低成本，必須降低器件的硅片的面積。在PWM及電源控制器中，相關(guān)的數字邏輯、基準運放所占的硅片的面積為必須功能，流過(guò)它們的電流也比較小，因此減小硅片面積的空間不大。內部的圖騰驅動(dòng)器由于流過(guò)較大電流，要占用較大的硅片面積，這一部分對芯片的功能影響不明顯，因此降低成本最直接的方法就是減小內部圖騰驅動(dòng)器的硅片面積，也就是降低驅動(dòng)能力，這樣導致上拉、下拉的電阻增加，相應的壓降也會(huì )增加。

因此對于沒(méi)有標出內部驅動(dòng)器的驅動(dòng)參數的芯片，使用時(shí)要根據外面驅動(dòng)的功率MOSFET的特性校核開(kāi)關(guān)過(guò)程，要特別小心，必要的時(shí)候，使用對管組成外部的圖騰驅動(dòng)器，以增強驅動(dòng)的能力。