深入解析 LM2101：高性能半桥驱动器的应用与设计

引言

在电子工程师的日常设计工作中，选择合适的器件对于电路性能的实现至关重要。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）推出的 LM2101，一款专为驱动同步降压或半桥配置中的高侧和低侧 N 沟道 MOSFET 而设计的紧凑型高压栅极驱动器。它在众多应用场景中都展现出了卓越的性能，能够有效地提升设计的效率和可靠性。

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1. LM2101概览

1.1 关键特性

• 驱动能力：能够驱动半桥配置中的两个 N 沟道 MOSFET，满足多种功率应用需求。
• 欠压锁定（UVLO）：GVDD 引脚典型的 8V 欠压锁定功能，确保在电源电压不足时保护器件和系统安全。
• 高电压承受能力：BST 引脚的绝对最大电压可达 107V，SH 引脚能够处理 -19.5V 的绝对最大负瞬态电压，增强了系统在高压环境下的稳定性。
• 电流能力：具有 0.5A/0.8A 的峰值源/灌电流，能够快速驱动 MOSFET，减少开关损耗。
• 低延迟：典型的 115ns 传播延迟，保证了信号的快速响应，提高了系统的开关频率和效率。

1.2 应用领域

• 电机驱动：广泛应用于无刷直流（BLDC）电机和永磁同步电机（PMSM）的驱动，为机器人、无人机等设备提供动力支持。
• 便携式设备：如无线吸尘器、无线园林和电动工具等，其紧凑的封装和低功耗特性能够满足这些设备对空间和电池续航的要求。
• 交通工具：在电动自行车和电动滑板车等交通工具中，LM2101 能够高效地控制电机的运行，提升动力性能。
• 电源管理：可用于离线不间断电源（UPS）和电池测试设备等电源管理系统，确保电源的稳定输出。

2. 引脚配置与功能

2.1 引脚布局

LM2101 有 8 引脚的 SOIC（D）和 8 引脚的 WSON（DSG）两种封装形式。在实际应用中，引脚的正确连接是保证器件正常工作的关键。例如，GVDD 是栅极驱动器的正电源轨，需要使用低 ESR 和 ESL 的电容器就近接地，以减少电源噪声。

2.2 引脚功能详解

引脚编号	引脚名称	类型	描述
1	GVDD	P	栅极驱动器正电源轨，需使用低 ESR 和 ESL 电容器就近接地
2	INH	I	高侧控制输入，兼容 TTL 和 CMOS 输入阈值，未使用时需接地
3	INL	I	低侧控制输入，兼容 TTL 和 CMOS 输入阈值，未使用时需接地
4	GND	G	接地，所有信号的参考地
5	GL	O	低侧栅极驱动器输出，连接到低侧 MOSFET 的栅极或外部栅极电阻
6	SH	P	高侧源极连接，连接到自举电容器的负端和高侧 MOSFET 的源极
7	GH	O	高侧栅极驱动器输出，连接到高侧 MOSFET 的栅极或外部栅极电阻
8	BST	P	高侧栅极驱动器正电源轨，自举电容器的正端连接到 BST，负端连接到 SH

3. 规格参数分析

3.1 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值是确保其安全可靠运行的基础。例如，V GVDD（低侧电源电压）的范围为 -0.3V 至 19.5V，超出这个范围可能会导致器件永久性损坏。在实际设计中，必须严格控制电源电压，避免出现过压或欠压情况。

3.2 ESD 额定值

静电放电（ESD）是集成电路设计中需要重点关注的问题之一。LM2101 的人体模型（HBM）ESD 额定值为 ±1000V，充电器件模型（CDM）ESD 额定值为 ±250V。在生产和使用过程中，需要采取适当的 ESD 防护措施，如使用防静电包装、佩戴防静电手套等，以防止 ESD 对器件造成损坏。

3.3 推荐工作条件

遵循推荐工作条件可以确保器件在最佳性能状态下运行。例如，V GVDD 的推荐工作电压范围为 9V 至 18V，在这个范围内，器件能够提供稳定的输出和可靠的性能。同时，还需要注意温度、电压等参数的变化，确保其在推荐范围内波动。

3.4 热信息

热性能是影响器件可靠性和寿命的重要因素之一。LM2101 的不同封装形式具有不同的热阻参数，如 D（SOIC）封装的结到环境热阻为 133.2°C/W，DSG（WSON）封装的结到环境热阻为 78.2°C/W。在设计散热方案时，需要根据实际应用场景和封装形式选择合适的散热措施，如散热片、风扇等，以确保器件在正常工作温度范围内运行。

3.5 电气特性

电气特性参数是评估器件性能的重要依据。例如，GVDD 静态电流典型值为 430μA，表明器件在待机状态下的功耗较低。在实际应用中，需要根据系统的功耗要求和性能指标，合理选择器件的工作模式和参数。

3.6 开关特性

开关特性直接影响系统的开关速度和效率。LM2101 的传播延迟典型值为 115ns，延迟匹配时间为 30ns，输出上升和下降时间分别为 28ns 和 18ns。这些特性使得器件能够快速响应输入信号，减少开关损耗，提高系统的效率。

4. 详细工作原理

4.1 启动与 UVLO 保护

LM2101 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（V GVDD）和自举电容器电压（VBST - SH）。当电源电压低于 UVLO 阈值时，输出被抑制，直到电压恢复到足够的值。内置的 UVLO 迟滞功能可以防止在电源电压波动时出现抖动。例如，当给 GVDD 引脚施加电源电压时，两个输出都会保持低电平，直到 V GVDD 超过 8V 的典型 UVLO 阈值。任何在自举电容器上出现的 UVLO 条件只会禁用高侧输出（GH）。

4.2 输入级

INL 和 INH 输入相互独立，没有内置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性能。如果需要在两个输出之间设置死区时间，可以通过微控制器进行编程实现。此外，在每个输入处添加一个小滤波器可以进一步提高系统在易受噪声干扰的应用中的鲁棒性。输入具有典型值为 200kΩ 的内部下拉电阻，当输入悬空时，输出保持低电平。

4.3 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。

4.4 输出级

输出级是与功率 MOSFET 连接的接口，其高转换速率、低电阻和高峰值电流能力使得能够高效地开关功率 MOSFET。低侧输出级以 GND 为参考，高侧以 SH 为参考。

4.5 SH 引脚的负瞬态电压处理

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，电路板的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。LM2101 的 SH 引脚允许在不违反规格和遵循相关条件的情况下低于地电位摆动。需要注意的是，SH 必须始终处于比 GH 低的电位，否则可能会激活寄生晶体管，导致过多电流从 BST 电源流出，从而损坏器件。必要时，可以在 GH 和 SH 或 GL 和 GND 之间外部放置一个肖特基二极管来保护器件免受此类瞬态的影响。

5. 典型应用设计

5.1 设计要求

以驱动半桥转换器中的 MOSFET 为例，选择 LM2101 作为栅极驱动器，MOSFET 型号为 CSD19534KCS，V DD 为 12V，MOSFET 的总栅极电荷 Q G 为 17nC，开关频率 f SW 为 50kHz。

5.2 详细设计步骤

• 选择外部自举二极管和串联电阻：在 GVDD 引脚和 BST 引脚之间需要一个外部自举二极管，以便在低侧 MOSFET 导通时，自举电容器能够从 GVDD 引脚充电。为了减少二极管的反向恢复损耗和接地噪声反弹，推荐使用具有低正向电压降和低结电容的快速恢复二极管或肖特基二极管。同时，串联一个自举电阻 R BOOT 可以减少 D BOOT 中的浪涌电流，并限制每个开关周期中 V BST - SH 电压的上升速率。

• 选择自举和 GVDD 电容器：自举电容器必须保持 V BST - SH 电压高于 UVLO 阈值，以确保正常工作。通过计算最大允许电压降和总电荷需求，可以估算出最小自举电容器值。一般来说，建议选择比计算值更大的电容，以应对负载瞬变等情况。同时，本地 V GVDD 旁路电容器的容量通常应为自举电容器的 10 倍。

• 选择外部栅极驱动电阻：外部栅极驱动电阻 R GATE 的作用是减少寄生电感和电容引起的振荡，并限制栅极驱动器的输出电流。通过计算 GH 和 GL 的峰值拉电流和拉电流，可以确定合适的电阻值。在某些需要快速关断的应用中，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。

• 估算驱动器功率损耗：驱动器的总功率损耗可以通过静态功率损耗、电平转换器损耗、动态损耗和电平转换器动态损耗等几个部分来估算。在实际设计中，需要确保驱动器的功率损耗在允许范围内，以保证器件的可靠性。

5.3 应用曲线分析

通过观察低侧驱动器和高侧驱动器的上升时间、开通传播延迟、下降时间和关断传播延迟等曲线，可以了解驱动器在实际应用中的性能表现。例如，在负载电容为 1nF、栅极电阻为 4Ω、V DD 为 12V、f SW 为 50kHz 的测试条件下，曲线可以直观地反映出驱动器的响应速度和延迟特性。

6. 电源供应建议

6.1 电压范围

LM2101 的推荐偏置电源电压范围为 9V 至 18V。下限由 V GVDD 电源电路块的内部欠压锁定（UVLO）保护功能决定，上限则由 GVDD 引脚的 18V 推荐最大电压额定值限制。为了应对瞬态电压尖峰，建议将 GVDD 引脚的电压设置低于最大推荐电压。

6.2 UVLO 迟滞功能

UVLO 保护功能还包含迟滞功能，这意味着当器件正常工作时，如果 V GVDD 电压下降，只要电压下降不超过迟滞规格 V DDHYS，器件将继续正常工作。如果电压下降超过迟滞规格，器件将停止工作。因此，在接近 9V 范围工作时，辅助电源输出的电压纹波必须小于 LM2101 的迟滞规格，以避免触发器件关断。

6.3 旁路电容器

在 GVDD 和 GND 引脚之间需要放置一个本地旁路电容器，并且该电容器应尽可能靠近器件。推荐使用低 ESR 的陶瓷表面贴装电容器。TI 建议在 GVDD 和 GND 之间使用两个电容器，一个用于高频滤波，另一个用于满足 IC 偏置要求。同样，在 BST 和 SH 引脚之间也建议放置一个本地去耦电容器。

7. PCB 布局要点

7.1 布局准则

• 电容器放置：在 GVDD 和 GND 引脚之间以及 BST 和 SH 引脚之间，必须连接低 ESR 和低 ESL 的电容器，以支持外部 MOSFET 导通时从 GVDD 和 BST 汲取的高峰值电流。
• 滤波电容器：为了防止顶部 MOSFET 漏极出现大的电压瞬变，需要在 MOSFET 漏极和地（GND）之间连接一个低 ESR 电解电容器和一个高质量的陶瓷电容器。
• 寄生电感：为了避免开关节点（SH）引脚出现大的负瞬变，必须最小化顶部 MOSFET 源极和底部 MOSFET（同步整流器）漏极之间的寄生电感。
• 接地设计：首先，设计接地连接时要将为 MOSFET 栅极充电和放电的高峰值电流限制在最小的物理区域内，以减少环路电感，降低 MOSFET 栅极端子的噪声问题。其次，要考虑包含自举电容器、自举二极管、本地接地参考旁路电容器和低侧 MOSFET 体二极管的高电流路径，尽量减小电路板上该环路的长度和面积，以确保可靠运行。

7.2 布局示例

通过参考布局示例，可以更好地理解如何在实际 PCB 设计中应用上述布局准则。例如，合理安排输入 RC 滤波器、栅极电阻和反并联二极管的位置，以及自举电容器和旁路电容器的布局，都可以提高电路的性能和可靠性。

8. 总结

LM2101 作为一款高性能的半桥驱动器，具有出色的驱动能力、高电压承受能力、低延迟等优点，适用于多种应用场景。在设计过程中，我们需要深入了解其引脚配置、规格参数、工作原理和设计要点，合理选择外部元件，优化 PCB 布局，以确保系统的性能和可靠性。希望通过本文的介绍，能够帮助电子工程师更好地理解和应用 LM2101，在实际设计中取得更好的效果。你在使用 LM2101 或其他类似驱动器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。