深入剖析LM2005：高性能半桥驱动器的卓越之选

作为电子工程师，在设计电路时，总会遇到各种各样的挑战和问题。最近在研究半桥驱动电路时，发现了一款非常出色的产品——LM2005。今天就来和各位工程师朋友们好好分享一下这款产品，希望对大家有所帮助。

文件下载：lm2005.pdf

一、LM2005简介

LM2005 是一款紧凑型、高压栅极驱动器，专为同步降压或半桥配置中的高侧和低侧 N 沟道 MOSFET 驱动而设计。它集成了自举二极管，不仅节省了电路板空间，还降低了系统成本。其额定参数为 107 - V、0.5 - A、0.8 - A，具有 8 - V 欠压锁定（UVLO）功能。下面咱们详细看看它的各项参数和特点。

1.1 关键特性

• 双MOSFET驱动：能够以半桥配置驱动两个 N 沟道 MOSFET，为电路设计提供了更灵活的解决方案。
• 集成自举二极管：这一设计省去了外部离散二极管，简化了电路设计，同时也减少了成本和空间占用。
• 欠压锁定功能：在 GVDD 上具有 8 - V 典型欠压锁定，能有效保护电路，防止在电压不足时对 MOSFET 造成损坏。
• 高电压承受能力：BST 引脚的绝对最大电压为 107 - V，SH 引脚能承受 - 19.5 - V 的绝对最大负瞬态电压，这使得它在高压环境下也能稳定工作。
• 高电流输出：提供 0.5 - A/0.8 - A 的峰值源/灌电流，能够快速驱动 MOSFET，减少开关时间，降低开关损耗。
• 低传播延迟：典型传播延迟仅为 115 - ns，确保了信号的快速响应，提高了电路的工作效率。

1.2 应用领域

LM2005 的应用范围非常广泛，包括但不限于以下几个方面：

• 电机驱动：适用于无刷直流（BLDC）电机和永磁同步电机（PMSM），能够提供高效的驱动能力，满足电机的快速响应和精确控制需求。
• 电动工具：在无线真空吸尘器、无线园林和电动工具等设备中，LM2005 可以帮助实现高效的功率转换和控制，延长电池续航时间。
• 交通工具：在电动自行车和电动滑板车等交通工具中，它能为电机提供稳定的驱动，确保车辆的安全和可靠运行。
• 电源设备：可用于电池测试设备和离线不间断电源（UPS）等，提高电源的稳定性和可靠性。
• 通用驱动：作为通用的 MOSFET 或 IGBT 驱动器，适用于各种需要高效驱动功率半导体器件的场合。

二、LM2005的详细参数

2.1 引脚配置与功能

引脚编号	引脚名称	类型	描述
1	GVDD	P	栅极驱动器正电源轨，建议使用低 ESR 和 ESL 电容器就近连接到地。
2	INH	I	高侧控制输入，兼容 TTL 和 CMOS 输入阈值，未使用时必须接地。
3	INL	I	低侧控制输入，同样兼容 TTL 和 CMOS 输入阈值，未使用时应接地。
4	GND	G	接地引脚，所有信号均以此为参考。
5	GL	O	低侧栅极驱动器输出，连接到低侧 MOSFET 栅极或外部栅极电阻的一端。
6	SH	P	高侧源极连接，连接到自举电容负极和高侧 MOSFET 源极。
7	GH	O	高侧栅极驱动器输出，连接到高侧 MOSFET 栅极或外部栅极电阻的一端。
8	BST	P	高侧栅极驱动器正电源轨，自举电容正极连接到 BST，负极连接到 SH。

2.2 电气参数

• 绝对最大额定值
  • 电源电压：GVDD 为 - 0.3 至 19.5 V，BST 至 SH 为 - 0.3 至 19.5 V。
  • 输入电压：INL 和 INH 为 - 0.3 至 19.5 V。
  • 输出电压：GL 为 - 0.3 至 GVDD + 0.3 V，GH 为 VSH - 0.3 至 VBST + 0.3 V。
  • 温度范围：结温为 - 40 至 125°C，储存温度为 - 65 至 150°C。
• 推荐工作条件
  • 电源电压：GVDD 为 9 至 18 V，典型值为 12 V。
  • 输入电压范围：INL 和 INH 为 0 至 GVDD + 0.3 V。
  • BST 电压：VBST 为 VSH + 9 至 105 V。
  • SH 电压：DC 时为 - 1 至 VBST - GVDD，重复脉冲（< 100 ns）时为 - 18 至 VBST - GVDD。
  • SH 电压转换率：最大为 2 V/ns。
  • 工作结温： - 40 至 125°C。

2.3 热性能参数

热指标	D (SOIC) 封装	DSG (WSON) 封装	单位
RθJA（结到环境热阻）	133.2	78.2	°C/W
RθJC(top)（结到外壳顶部热阻）	75.2	97.7	°C/W
RθJB（结到电路板热阻）	76.7	44.6	°C/W
ψJT（结到顶部特性参数）	25.5	4.6	°C/W
ψJB（结到电路板特性参数）	75.9	44.6	°C/W

通过这些热性能参数，我们可以根据实际应用场景选择合适的封装，确保器件在工作过程中的温度处于合理范围。

三、LM2005的工作原理与功能模块

3.1 启动与欠压锁定（UVLO）

LM2005 的高侧和低侧驱动级都包含 UVLO 保护电路，用于监测电源电压（VGVDD）和自举电容电压（VBST - SH）。在电源电压施加到 GVDD 引脚时，两个输出都保持低电平，直到 VGVDD 超过 UVLO 阈值（典型值为 8 V）。自举电容的任何 UVLO 条件只会禁用高侧输出（GH）。这种设计可以有效防止在电源电压不稳定时对 MOSFET 造成损坏，提高了电路的可靠性。

3.2 输入级

INL 和 INH 输入相互独立工作，没有固定时间的去毛刺滤波器，因此不会牺牲传播延迟和延迟匹配。如果需要两个输出之间的死区时间，可以通过微控制器进行编程。此外，在驱动器的每个输入处添加小滤波器可以进一步提高系统在噪声环境中的鲁棒性。输入具有典型值为 200 kΩ 的内部下拉电阻，当输入浮空时，输出保持低电平。

3.3 电平转换

电平转换电路是高侧输入（以 GND 为参考的信号）与高侧驱动级（以开关节点 SH 为参考）之间的接口。它允许对以 SH 引脚为参考的 GH 输出进行控制，并与低侧驱动器实现良好的延迟匹配。这一功能确保了高侧和低侧 MOSFET 的驱动信号能够准确同步，提高了电路的性能。

3.4 输出级

输出级是与功率 MOSFET 的接口，两个输出都具有高转换率、低电阻和高峰值电流能力，能够实现功率 MOSFET 的高效开关。低侧输出级以 GND 为参考，高侧以 SH 为参考。这种设计使得 LM2005 能够快速、准确地驱动 MOSFET，减少开关损耗，提高电路效率。

3.5 SH 负瞬态电压处理

在大多数应用中，外部低侧功率 MOSFET 的体二极管会将 SH 节点钳位到地。但在某些情况下，电路板电容和电感可能会导致 SH 节点在外部低侧 MOSFET 的体二极管钳位之前短暂地低于地电位。LM2005 的 SH 引脚允许在不违反规格的情况下低于地电位，但需要注意 SH 必须始终低于 GH，否则可能会激活寄生晶体管，导致过大电流从 BST 电源流出，损坏器件。必要时，可以在 GH 和 SH 或 GL 和 GND 之间外部放置肖特基二极管来保护器件。同时，从 BST 到 SH 和从 GVDD 到 GND 的低 ESR 旁路电容对于栅极驱动器的正常工作至关重要，应尽量靠近器件引脚放置，以减少串联电感。

四、应用设计与实现

4.1 应用信息

在高开关频率下操作功率 MOSFET 并减少开关损耗时，需要在控制器的 PWM 输出和功率半导体器件的栅极之间使用强大的栅极驱动器。当 PWM 控制器无法直接驱动开关器件的栅极时，栅极驱动器更是不可或缺。随着数字电源的发展，数字控制器的 PWM 信号通常为 3.3 - V 逻辑信号，无法有效开启功率开关，因此需要电平转换电路将信号提升到栅极驱动电压（如 12 V），以充分开启功率器件并最小化传导损耗。传统的基于 NPN 和 PNP 双极晶体管的图腾柱缓冲驱动电路由于缺乏电平转换能力，在数字电源中已不适用。而 LM2005 有效地结合了电平转换和缓冲驱动功能，还能通过靠近功率开关放置来减少高频开关噪声的影响，同时可以驱动栅极驱动变压器并控制浮动功率器件的栅极，将栅极充电功率损耗转移到驱动器中，降低控制器的功耗和热应力。

4.2 典型应用案例

以 LM2005 驱动半桥转换器中的 MOSFET 为例，介绍详细的设计步骤。

• 设计要求
  • 栅极驱动器：LM2005
  • MOSFET：CSD19534KCS
  • 电源电压：VDD = 12 V
  • MOSFET 栅极电荷：QG = 17 nC
  • 开关频率：fSW = 50 kHz
• 详细设计步骤
  • 选择自举电容和 GVDD 电容：自举电容必须维持 VBST - SH 电压高于 UVLO 阈值以确保正常工作。首先计算自举电容上的最大允许电压降： (Delta V{BST}=V{GVDD}-V{DH}-V{BSTL}=12V - 2.1V - 8.05V = 1.85V) 其中，(V{GVDD}) 为栅极驱动 IC 的电源电压，(V{DH}) 为自举二极管正向电压降，(V{BSTL}) 为 BST 下降阈值。 然后估算每个开关周期所需的总电荷： (Q{TOTAL}=Q{G}+I{BSTS}×frac{D{MAX}}{f{SW}}+frac{I{BST}}{f{SW}}=17 nC + 33.3mu A×frac{0.95}{50 kHz}+frac{150mu A}{50 kHz}=20 nC) 其中，(Q{G}) 为 MOSFET 总栅极电荷，(I{BSTS}) 为 BST 到 VSS 泄漏电流，(D{Max}) 为转换器最大占空比，(I{BST}) 为 BST 静态电流。 最后估算最小自举电容值： (C{BOOT (MIN)}=frac{Q{TOTAL}}{Delta V{BST}}=frac{20 nC}{1.85 V}=10.8 nF) 实际应用中，(C{BOOT}) 电容值应大于计算值，以应对功率级因负载瞬变而跳过脉冲的情况。可以根据系统要求的最大自举电压纹波来估算推荐的自举电容值： (C{BOOT}>frac{Q{TOTAL}}{Delta V_{BSTRIPPLE}}) TI 建议留足够的余量，并将自举电容尽可能靠近 BST 和 SH 引脚放置，这里取 (C{BOOT}=100 nF)。 一般来说，本地 (V{GVDD}) 旁路电容应为 (C{BOOT}) 的 10 倍，即 (C{GVDD}=1mu F)。自举电容和偏置电容应选用具有 X7R 电介质的陶瓷电容，其额定电压应考虑电容公差和直流偏置电压，为最大 (V{GVDD}) 的两倍，以确保长期可靠性。
  • 选择外部栅极驱动电阻：外部栅极驱动电阻 (R{GATE}) 用于减少寄生电感和电容引起的振铃，并限制从栅极驱动器流出的电流。通过相关公式可以计算出 GH 和 GL 的峰值拉电流和灌电流，根据不同的应用场景选择合适的 (R{GATE}) 值。对于需要快速关断的应用，可以在 (R_{GATE}) 上并联一个反并联二极管，以绕过外部栅极驱动电阻，加快关断过渡。
  • 估算驱动器功耗：总驱动器 IC 功耗可以通过以下几个部分估算：
    • 静态功耗 (P_{QC})：由静态电流 (I{GVDD}) 和 (I{BST}) 引起，计算公式为： (P{QC}=V{GVDD}×I{GVDD}+(V{GVDD}-V{F})×I{BST}=12 V×0.43 mA + (12 V - 0.8 V)×0.15 mA = 6.87 mW)
    • 电平转换损耗 (P_{IBSTS})：由高侧泄漏电流 (I{BSTS}) 引起，计算公式为： (P{IBSTS}=V{BST}×I{BSTS}×D = 72 V×0.033 mA×0.95 = 2.26 mW) 其中，(D) 为高侧开关占空比。
    • 动态损耗 (P_{QG1&2})：由 FET 栅极电荷 (Q{G}) 引起，计算公式为： (P{QG1&2}=2×V{GVDD}×Q{G}×f{SW}×frac{R{GD_R}}{R{GD_R}+R{GATE}+R_{GFET_INT}})
    • 电平转换动态损耗 (P_{LS})：在高侧开关期间，由于每个开关周期所需的电平转换电荷引起，假设寄生电荷 (Q{P}) 为 2.5 nC，计算公式为： (P{LS}=V{BST}×Q{P}×f{SW}=72 V×2.5 nC×50 kHz = 9 mW) 在这个例子中，所有损耗之和为 27 mW，作为总栅极驱动器损耗。对于包含自举二极管的栅极驱动器，还应估算自举二极管的损耗，二极管正向传导损耗为平均正向电压降和平均正向电流的乘积。可以根据以下公式估算给定环境温度下器件的最大允许功率损耗： (P{MAX}=frac{T{J}-T{A}}{R{theta JA}}) 其中，(P{MAX}) 为栅极驱动器器件的最大允许功耗，(T{J}) 为结温，(T{A}) 为环境温度，(R_{theta JA}) 为结到环境的热阻。具体的热指标可以参考数据手册中的热信息表。

4.3 应用曲线分析

通过一些应用曲线可以直观地了解 LM2005 的性能。例如，展示了低侧驱动器和高侧驱动器的上升时间和导通传播延迟，以及下降时间和关断传播延迟的曲线。这些曲线的测试条件为负载电容 1 nF、栅极电阻 4 Ω、(V{DD}=12 V)、(f{SW}=50 kHz)。通过分析这些曲线，我们可以更好地了解 LM2005 在不同条件下的工作性能，从而优化电路设计。

五、电源和布局建议

5.1 电源建议

LM2005 的推荐偏置电源电压范围为 9 至 18 V。下限由 (V_{GVDD}) 电源电路块的内部欠压锁定（UVLO）保护功能决定，上限由 GVDD 引脚的 18 - V 推荐最大额定电压决定。为了应对瞬态电压尖峰，建议 GVDD 引脚电压低于最大推荐电压。UVLO 保护功能还具有滞后功能，即设备在正常工作模式下，若 (