深入解析 onsemi NCV51563 隔离式双通道栅极驱动器

在电力电子设计领域，栅极驱动器是驱动功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 等功率开关的关键组件。今天我们要详细探讨的是 onsemi 公司的 NCV51563 隔离式双通道栅极驱动器，它具备诸多出色特性，适用于多种应用场景。

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产品概述

NCV51563 是一款隔离式双通道栅极驱动器，源极和漏极峰值电流分别可达 4.5 - A/9 - A。它专为快速开关而设计，能够驱动功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 功率开关，并且具有短且匹配的传播延迟。该驱动器提供了 5 kVRMS 的内部电流隔离，从输入到每个输出都有独立的隔离，两个输出驱动器之间也有内部功能隔离，允许高达 1850 VDC 的工作电压。它可以配置为两个低端开关、两个高端开关或半桥驱动器，还具备可编程死区时间功能。

特性亮点

灵活的驱动配置

NCV51563 支持双低端、双高端或半桥栅极驱动配置，为不同的应用需求提供了极大的灵活性。无论是在车载充电器、XEV DC - DC 转换器、牵引逆变器还是充电站等应用中，都能找到合适的使用方式。

强大的输出电流能力

具有 4.5 - A 峰值源电流和 9 - A 峰值灌电流输出能力，能够为功率开关提供足够的驱动电流，确保开关的快速切换和稳定运行。

独立的 UVLO 保护

每个输出驱动器都有独立的欠压锁定（UVLO）保护功能，当电源电压低于设定的阈值时，驱动器会自动关闭输出，保护功率开关免受欠压损坏。输出电源电压范围为 6.5 V 至 30 V，针对 MOSFET 和 SiC 分别提供了 5 - V、8 - V、13 - V 和 17 - V 的 UVLO 阈值选项。

高共模瞬态抗扰度

共模瞬态抗扰度（CMTI）> 200 V/ns，能够有效抵抗共模干扰，保证在复杂电磁环境下的稳定工作。

低传播延迟和精确匹配

传播延迟典型值为 36 ns，每通道最大延迟匹配为 ±5 ns，最大脉冲宽度失真为 ±5 ns，确保了信号的快速传输和精确控制。

用户可编程功能

• 输入逻辑可编程：支持单输入或双输入模式，通过 ANB 引脚进行选择，还可以选择使能或禁用模式。
• 死区时间可编程：用户可以根据实际需求调整死区时间，避免上下桥臂同时导通，提高系统的安全性和效率。

安全认证

该驱动器通过了多项安全认证，如 UL1577、VDE0884 - 11、GB4943.1 - 2011 和 IEC 62386 - 1 等，满足汽车应用等对安全性要求较高的场景。

引脚功能与连接

NCV51563 采用 SOIC - 16 WB 封装，各引脚功能如下：	Pin No.	Pin Name	I/O	Description
1	INA	Input	通道 A 的逻辑输入，内部有下拉电阻到 GND
2	INB	Input	通道 B 的逻辑输入，内部有下拉电阻到 GND
3,8	VDD	Power	输入侧电源电压，建议在 VDD 到 GND 之间放置旁路电容
4	GND	Power	输入侧接地引脚，所有输入侧信号都参考此引脚
5	ENA/DIS	Input	逻辑输入，高电平使能或禁用两个输出通道，根据版本不同内部有上拉或下拉电阻
6	DT	Input	可编程死区时间输入，根据 DT 引脚电压提供三种工作模式
7	ANB	Input	逻辑输入，用于改变输入信号配置，内部有下拉电阻到 GND
9	VSSB	Power	通道 B 的接地引脚
10	OUTB	Output	通道 B 的输出引脚
11	VCCB	Power	输出通道 B 的电源电压，建议在 VCCB 到 VSSB 之间放置旁路电容
14	VSSA	Power	通道 A 的接地引脚
15	OUTA	Output	通道 A 的输出引脚
16	VCCA	Power	输出通道 A 的电源电压，建议在 VCCA 到 VSSA 之间放置旁路电容

电气特性

电源特性

• 输入侧电源：VDD 静态电流在不同输入条件下有所不同，典型值在 500 μA 至 10 mA 之间，工作电流在 5.0 mA 至 9.0 mA 之间。VDD 欠压锁定阈值正跳变为 2.7 V 至 2.9 V，负跳变为 2.6 V 至 2.8 V，滞回为 0.1 V。
• 输出侧电源：VCCA 和 VCCB 静态电流每通道在 200 μA 至 600 μA 之间，工作电流每通道在 2.0 mA 至 5.5 mA 之间。不同 UVLO 版本的 VCCA 和 VCCB 欠压锁定阈值不同，如 5 - V UVLO 版本正跳变为 5.7 V 至 6.3 V，负跳变为 5.4 V 至 6.0 V，滞回为 0.3 V。

逻辑输入特性

• INA、INB 和 ANB：输入信号电压范围为 - 0.3 V 至 20 V，不同版本的使能或禁用逻辑阈值有所不同，如使能高电压为 1.4 V 至 1.8 V，使能低电压为 0.9 V 至 1.3 V，逻辑滞回为 0.5 V。
• ENA/DIS：输入信号电压范围为 - 0.3 V 至 5.5 V，根据版本不同控制输出通道的使能或禁用。

死区时间和重叠特性

• 最小死区时间在 DT 引脚开路时为 0 ns 至 29 ns，死区时间可以通过外部电阻 RDT 进行调整，如 RDT = 20 kΩ 时为 145 ns 至 245 ns，RDT = 100 kΩ 时为 800 ns 至 1200 ns。
• 死区时间失配在不同 RDT 下有一定范围，如 RDT = 20 kΩ 时为 - 30 ns 至 30 ns，RDT = 100 kΩ 时为 - 150 ns 至 150 ns。
• DT 阈值电压用于 OUTA 和 OUTB 重叠，范围为 0.85xVDD 至 0.95xVDD。

栅极驱动特性

• OUTA 和 OUTB 源极峰值电流典型值为 4.5 A，漏极峰值电流典型值为 9.0 A。
• 高电平输出电阻为 1.4 Ω 至 2.7 Ω，低电平输出电阻为 0.5 Ω 至 1.0 Ω。
• 高电平输出电压降最大为 270 mV，低电平输出电压降最大为 100 mV。

动态电气特性

• 导通和关断传播延迟在不同电源电压和负载电容下有所不同，典型值在 22 ns 至 58 ns 之间。
• 脉冲宽度失真为 - 5 ns 至 5 ns，通道间传播延迟失配为 - 5 ns 至 5 ns。
• 上升时间和下降时间在不同电源电压和负载电容下也有相应的范围，如 VCCA = VCCB = 12 V，CLOAD = 1.8 nF 时，上升时间为 9 ns 至 16 ns，下降时间为 8 ns 至 16 ns。

保护功能

欠压锁定保护

NCV51563 为输入侧的 VDD 和输出侧的 VCCA、VCCB 提供了欠压锁定保护功能。当电源电压低于设定的阈值时，驱动器会关闭输出，防止功率开关在欠压状态下工作。不同 UVLO 版本的阈值不同，如 5 - V UVLO 版本的 VCCA 和 VCCB 阈值典型值为 6.0 V，8 - V UVLO 版本为 8.7 V 等。

交叉导通保护

在半桥类型的死区时间控制模式下，交叉导通保护可以防止高端和低端开关同时导通，避免短路损坏。当 DT 引脚开路时，最小死区时间典型值为 10 ns，确保了上下桥臂之间有足够的时间间隔。同时，当 DT 引脚连接到 VDD 时，允许一定的交叉导通，提供了拓扑结构的灵活性。

应用信息

电源供应建议

在开关导通期间，栅极的输出电流来自 VCCA 和 VCCB 电源引脚。因此，建议在 VCCA 和 VCCB 引脚处使用至少为栅极电容十倍且不小于 100 nF 的电容进行旁路，并且电容应尽可能靠近器件，以实现去耦。推荐使用一个 100 nF 的陶瓷表面贴装电容靠近器件引脚，再并联一个几微法的表面贴装电容。此外，为了提供不同的 VCCX 欠压锁定电压选项，初始启动时 VCCX 从 5 - V 到 6 - V 的上升时间应至少为 16 μs。

输入级设计

NCV51563 的输入信号引脚（INA、INB、ANB 和 ENA/DIS）基于 TTL 兼容输入阈值逻辑，与 VDD 电源电压无关。逻辑电平兼容输入的高、低阈值典型值分别为 1.6 V 和 1.1 V。输入信号引脚阻抗典型值为 200 kΩ，INA、INB 和 ANB 引脚内部下拉到 GND，ENA/DIS 引脚根据版本不同上拉到 VDD 或下拉到 GND。为了减少系统噪声和地弹的影响，建议在输入信号引脚上添加 RC 滤波器，RIN 范围为 0 至 100 Ω，CIN 为 10 pF 至 100 pF。

输出级设计

输出驱动级采用上拉和下拉结构。上拉结构由 PMOS 级组成，确保能够将输出拉到 VCC 电平；下拉结构由 NMOS 器件组成。在 25°C 时，上拉和下拉开关的输出阻抗能够提供约 +4.5 A 和 - 9 A 的峰值电流，在 - 40°C 时，最小灌电流和源电流分别为 - 7 A 和 +2.6 A。

驱动电流能力考虑

在设计时，峰值源电流和灌电流能力应大于平均电流。可以根据所需的栅极电荷 QG 和开关时间 tSW - ON/OFF 来计算所需的驱动电流额定值。导通时的源电流应满足 $I{SOURCE} \geq 1.5 × \frac{Q{G}}{t{SW.ON}}$，关断时的灌电流应满足 $I{SINK} \geq 1.5 × \frac{Q{G}}{t{SW.OFF}}$。

栅极电阻考虑

栅极电阻的选择可以减少寄生电感和电容引起的振铃电压，但会限制栅极驱动器输出的电流能力。导通和关断时的电流能力可以通过公式 $I{SINK}=\frac{V{CC}-V{OL}}{R{G.OFF}}$ 和 $I{SOURCE}=\frac{V{CC}-V{OH}}{R{G.ON}}$ 计算。

输出级负偏置应用

对于 SiC MOSFET 的应用，需要考虑其独特的工作特性。栅极驱动器需要能够提供 +20 V 和 - 2 V 至 - 5 V 的负偏置，同时具有最小的输出阻抗和高电流能力。应用负偏置可以提高 SiC MOSFET 的抗噪声能力，抑制意外导通。可以通过使用两个隔离偏置电源或在隔离电源上使用齐纳二极管来实现负偏置。

PCB 布局指南

元件放置

• 尽量缩短输入/输出走线，减少寄生电感和电容的影响，避免使用过孔以保持低信号路径电感。
• 电源旁路电容和栅极电阻应尽可能靠近栅极驱动器放置，以提高去耦效果。
• 栅极驱动器应靠近开关器件，减少走线电感，避免输出振铃。

接地考虑

在高速信号层下方设置实心接地平面，在 VSSA 和 VSSB 引脚旁边设置实心接地平面，并使用多个过孔连接，以减少寄生电感，降低输出信号的振铃。

高压隔离考虑

为了确保初级和次级侧之间的隔离性能，不要在驱动器器件下方放置任何 PCB 走线或铜箔。建议在 PCB 上设置切口，以防止可能影响 NCV51563 隔离性能的污染。

总结

NCV51563 隔离式双通道栅极驱动器凭借其灵活的配置、强大的输出能力、丰富的保护功能和出色的电气特性，成为了驱动功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 的理想选择。在实际应用中，我们需要根据具体的需求合理选择参数，并遵循 PCB 布局指南，以充分发挥其性能优势。你在使用类似栅极驱动器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。