在系统中采用低端驱动器的常见应用介绍

本应用笔记介绍了一些在系统中采用低端驱动器的常见应用。这些电源变压器的驱动器涉及隔离的栅极MOSFET。将包括必要的计算以及图形数据，以更好地展示所做的评估。

在许多中低功率应用中，低侧（接地参考）MOSFET由PWM控制IC的输出引脚驱动，以切换感性负载。如果PWM输出电路可以以可接受的开关时间驱动MOSFET而不会耗散过多功率，则此解决方案是可以接受的。随着系统功率需求的增长，开关和相关驱动电路的数量也随之增加。随着控制电路复杂度的增加，由于接地和噪声问题，IC制造商省略板载驱动器变得越来越普遍。

当重要的是提高效率和提高电源VIN密度时，越来越多地使用同步整流器（SR）代替标准整流器。隔离式功率
级通常在每个整流支路中提供数十安培的电流，以并联两个或多个低阻MOSFET，这些器件需要电流脉冲达到几安培才能在所需的100ns以下时间切换器件。外部驱动器可以提供这些高电流脉冲，并提供一种实现时序以消除直通并优化效率以控制SR操作的方法。此外，驱动器可以将逻辑控制电压转换为最有效的MOSFET驱动电平。

低端驱动器还用于驱动变压器，这些变压器提供隔离的MOSFET栅极驱动电路或跨电源隔离边界的通信。在这些应用中，需要驱动程序来处理特定于变压器驱动的问题，这将在后面讨论。

低端驱动程序似乎是一个平凡的话题。关于这一主题已经写了几篇论文。尽管通常将其表示为理想的电压源，它可以提供或吸收由电路的串联阻抗确定的电流，但实际上，驱动器可用的电流受到分立或集成电路设计的限制。本说明从应用程序的角度回顾了驱动程序的基本要求，然后研究了在实验室工作台上测试和评估驱动程序当前功能的方法。

钳位电感开关

图1中的简化升压转换器提供了具有钳位电感负载的典型电源电路的原理图。当MOSFET Q导通时，输入电压VIN施加在电感L两端，电流以线性方式上升，以将能量存储在电感中。当MOSFET关断时，电感器电流流过二极管D1，并在电压VDC时将能量传递到COUT和RLOAD。假定电感器足够大，以在开关间隔期间保持电流恒定。

简化的升压转换器

MOSFET导通成为钳位电感负载的电路波形如图2所示。

MOSFET在感性负载下导通

图3表示在MOSFET导通过程的各个时间间隔内激活的栅极电流路径。

MOSFET导通期间的电流路径

RG表示MOSFET内部栅极电阻与任何串联栅极电阻的串联组合。RHI代表驱动器的内部电阻，其有效值在整个开关间隔内都会变化。

同步整流器操作

用作同步整流器（SR）的MOSFET的开关间隔与钳位感性负载的情况明显不同。图4显示了一个简化的正激转换器功率级，它具有一个同步整流器QSR代替了续流二极管。

简化正激转换器

在此示例中，控制电路生成的SR信号越过隔离边界，以使同步整流器QSR保持导通状态，而Q1处于断开状态。但是，SR信号应命令QSR在Q1导通之前将其关闭，以向变压器施加正电压。图5显示了四个时间间隔，用于说明同步整流器的关断顺序。

SR MOSFET关断

在关断之前，MOSFET通过电阻通道RDS传导负载电流IL，并且漏极至源极的电压为负。在图7（a）中，驱动器的输出为低电平，并且CGD和CGS的组合在以下给定的时间间隔内并行放电：

t_ {off} =分数{Q_ {Q，SR}} {I_ {G}}

其中，将[tex] Q_ {Q，SR} [/ tex]定义为：

Q_ {Q，SR} =（C_ {GS} + C_ {GD，SR}）。V_ {DD}

离散或集成驱动器

可以使用作为预设计模块的离散晶体管或集成电路解决方案来设计外部驱动器。要选择解决方案，设计人员必须评估竞争的尺寸，功能，成本以及要涵盖的应用程序的整体范围。无论选择哪种驱动程序，都有一些共同的要求。集成或离散设计的驱动器需要一个本地旁路电容器来提供在开关间隔期间传送的高电流脉冲，并且可能在驱动器和PWM电源VDD之间包括一个电阻。通常，驱动器靠近MOSFET栅极-源极连接时影响最大，以最大程度地减小寄生电感和电阻效应。

可以使用双极型晶体管设计离散解决方案，如图6所示。NPN/ PNP图腾柱具有由PWM输出驱动的同相配置。该电路可防止双极性阶段的直通，因为一次只有一个图腾柱器件可以正向偏置。在双极共射极配置中，驱动信号必须具有快速边沿以提供快速切换，并且应注意，MOSFET栅极在高电平或低电平时未欧姆连接至电源轨。

分立双极晶体管驱动电路

图7所示的PMOS / NMOS版本具有自然反相功能，因此需要反相器遵循PWM信号极性。该电路提供了轨到轨操作，但是直通是设计中必须考虑的问题，因为当公共栅极节点电压处于VDD范围的中间部分时，两个器件都可以导通。

使用分立驱动器方法会导致更多的组件，这需要更多的PCB板空间以及更多的组装和测试时间。较高的组件数量可能导致更多的采购成本和可靠性问题。如果输入信号来自逻辑电路或低压PWM，则分立驱动器需要附加电路以将逻辑电平转换为电源驱动电平。

集成电路驱动器除了具有大的脉冲电流能力外，还具有其他重要优势。采用3x3mm封装的新型集成双驱动器和采用2x2mm封装的单个驱动器包括用于散热的散热垫。与分立式解决方案相比，这些器件所需的电路板空间更少，同时具有增强的散热性能，因此非常适合于最密集的电源设计。集成到设备中的功能（例如使能功能和UVLO）可简化使用并减少组件级设计。为驱动器提供与TTL兼容的输入阈值已成为惯例，该阈值可以接受从逻辑电平信号到器件VDD范围的输入。利用CMOS输入阈值（2/3 VDD =高，1 / 3VDD =低）的驱动器可以帮助减轻噪声问题或在驱动器的输入端设置更准确的时序延迟。

结论

低端驱动器用于驱动功率MOSFET，其应用包括钳位感性负载开关，同步整流器电路和脉冲/栅极变压器驱动电路。在重要的MOSFET开关间隔期间，已经详细介绍了栅极驱动电流与MOSFET开关和过渡间隔的关系。潜在的驱动程序解决方案；包括分立组件，集成的PMOS / NMOS和复合驱动器在内的组件均经过检查。强调了各种驱动器电路的一些非理想特性。

没有一个简单的统一方法来表征多种可用驱动器的输出电流吸收和输出能力。本注释中介绍的测试电路可用于研究分立和集成电路驱动器的VOUT与IOUT能力，从而能够评估和比较各种应用中的驱动器。

编辑：hfy