深入解析UCC21220和UCC21220A：高性能隔离式栅极驱动器的卓越之选

在电子工程师的日常设计工作中，选择合适的栅极驱动器对于实现高效、可靠的电源和电机驱动系统至关重要。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）推出的UCC21220和UCC21220A这两款4A、6A双通道基本和功能隔离式栅极驱动器，看看它们究竟有哪些独特的魅力。

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一、UCC21220和UCC21220A的卓越特性

1. 灵活的配置方式

UCC21220和UCC21220A具有极高的灵活性，它们既可以配置为双低侧驱动器、双高侧驱动器，也能作为半桥驱动器使用。这种灵活的配置方式使得它们能够适应各种不同的电源和电机驱动拓扑结构，满足多样化的设计需求。

2. 强大的抗干扰能力

该驱动器的共模瞬态抗扰度（CMTI）大于125V/ns，这意味着它能够在高噪声环境下稳定工作，有效抵御共模干扰，确保信号的准确传输和驱动器的可靠运行。

3. 出色的输出能力

驱动器具备高达4A的峰值源电流和6A的峰值灌电流输出能力，能够为功率MOSFET和GaNFET提供足够的驱动能力，保证开关管的快速导通和关断，从而提高系统的效率和性能。

4. 优异的开关参数

• 典型传播延迟仅为33ns，能够实现快速的信号传输和响应，减少系统的延迟。
• 最大脉冲宽度失真为5ns，确保输出信号的准确性和稳定性。
• 最大VDD上电延迟为10µs，能够快速启动驱动器，提高系统的响应速度。

5. 宽电压范围和温度范围

• 输出驱动电源VDD最高可达25V，并且提供5V和8V的VDD欠压锁定（UVLO）选项，能够适应不同的电源电压需求。
• 结温范围（Tj）为 -40°C至150°C，能够在恶劣的环境条件下正常工作，保证系统的可靠性和稳定性。

6. 安全相关认证

虽然部分认证处于计划阶段，但该驱动器计划获得 (4242V{PK}) 隔离认证（DIN EN IEC 60747 - 17）、 (3000V{RMS}) 隔离认证（UL 1577）以及CQC认证（GB4943.1 - 2022），这将为其在安全要求较高的应用中提供有力的保障。

二、广泛的应用领域

UCC21220和UCC21220A的出色性能使其在多个领域得到了广泛的应用，包括但不限于：

• 服务器电源：为服务器的电源模块提供高效、可靠的驱动，确保服务器的稳定运行。
• 太阳能逆变器和太阳能功率优化器：在太阳能发电系统中，能够提高能量转换效率，降低损耗。
• 电信砖式转换器：满足电信设备对电源的高要求，保证通信的稳定性。
• 无线基础设施：为无线基站等设备提供稳定的电源驱动，确保无线信号的正常传输。
• 工业运输和机器人：在工业自动化领域，能够驱动电机和功率器件，实现精确的运动控制。

三、详细的功能描述

1. 欠压锁定（UVLO）保护

驱动器在VDD和VCCI电源电路中都内置了欠压锁定（UVLO）保护功能。当VDD偏置电压低于启动阈值 (V_{VDDON}) 或启动后低于 (V{VDDOFF}) 时，VDD UVLO功能会将受影响的输出拉低，无论输入引脚（INA和INB）的状态如何。同样，输入侧的VCCI也有UVLO保护，只有当VCCI超过启动阈值 (V{CCION}) 时，设备才会激活；当VCCI低于 (V{CCI_OFF}) 时，信号将停止传输。这种保护功能能够有效防止驱动器在电源电压不稳定时出现异常工作，提高系统的可靠性。

2. 输入和输出逻辑

驱动器的输入引脚（INA、INB和DIS）采用了TTL和CMOS兼容的输入阈值逻辑，与数字和模拟电源控制器都能很好地接口。输入引脚易于由逻辑电平控制信号驱动，并且具有较宽的滞回（ (V_{INA_HYS}) ），能够提供良好的抗噪声能力和稳定的操作。输出逻辑则根据输入信号和DIS引脚的状态进行控制，DIS引脚置高时会同时关闭两个输出，置低或悬空时驱动器正常工作。

3. 输出级结构

输出级采用了独特的上拉结构，在功率开关导通过渡的米勒平台区域，能够提供最高的峰值源电流，实现快速导通。上拉结构由一个P沟道MOSFET和一个额外的N沟道MOSFET并联组成，N沟道MOSFET在输出状态从低到高变化的瞬间短暂导通，提供峰值源电流的增强。下拉结构由一个N沟道MOSFET组成，能够提供6A的峰值灌电流。这种输出级结构使得驱动器能够实现轨到轨的输出电压摆动，提供极低的压降。

四、应用设计要点

1. 输入滤波器设计

为了滤除由非理想布局或长PCB走线引入的振铃，建议使用一个小的输入 (R{IN}-C{IN}) 滤波器。 (R{IN}) 的取值范围为0Ω至100Ω， (C{IN}) 的取值范围为10pF至100pF。在选择这些组件时，需要注意在良好的抗噪声能力和传播延迟之间进行权衡。

2. 外部自举二极管和串联电阻选择

自举电容在低侧晶体管导通时通过外部自举二极管由VDD充电，因此需要选择高压、快速恢复的二极管或SiC肖特基二极管，以减少反向恢复损耗和接地噪声反弹。同时，使用一个自举电阻 (R{BOOT}) 来减少 (D{BOOT}) 中的浪涌电流，并限制VDD电压的上升斜率。

3. 栅极驱动器输出电阻选择

外部栅极驱动器电阻 (R{ON}) 和 (R{OFF}) 用于限制寄生电感和电容引起的振铃、高电压/电流开关dv/dt和di/dt以及体二极管反向恢复引起的振铃，同时还可以微调栅极驱动强度，优化开关损耗，减少电磁干扰（EMI）。在选择这些电阻时，需要根据驱动器的输出能力、功率晶体管的特性以及PCB布局等因素进行综合考虑。

4. 栅极驱动器功率损耗估算

栅极驱动器子系统的总损耗 (P{G}) 包括UCC21220和UCC21220A的功率损耗 (P{GD}) 以及外围电路的功率损耗。 (P{GD}) 可以通过计算静态功率损耗 (P{GDQ}) 和开关操作损耗 (P{GDO}) 来估算。在不同的工作条件下， (P{GDO}) 的计算方法有所不同，需要根据实际情况进行选择。

5. 结温估算

UCC21220和UCC21220A的结温（ (T{J}) ）可以通过公式 (T{J}=T{C}+Psi{JT} × P{GD}) 进行估算，其中 (T{C}) 是器件的外壳温度， (Psi_{JT}) 是结到顶部的表征参数。在设计过程中，需要确保结温不超过器件的最大允许值，以保证器件的可靠性和稳定性。

6. 电容选择

• 自举电容 (C_{BOOT}) 选择：自举电容的大小需要根据功率晶体管的栅极电荷、开关频率和VDD电压等因素进行选择。同时，为了优化瞬态性能，建议在 (C_{BOOT}) 上并联一个低电容值的旁路电容。
• VDDB电容选择：通道B需要一个VDDB电容来提供电流，在自举配置中，该电容还需要通过自举二极管为VDDA提供电流。根据实际情况，可以选择合适的MLCC电容或钽电容、电解电容等。

7. 输出级负偏置应用电路

当非理想PCB布局和长封装引脚引入寄生电感时，功率晶体管的栅源驱动电压可能会出现振铃。为了避免振铃超过阈值电压导致意外导通和直通，可以在栅极驱动上施加负偏置。常见的实现方法包括使用齐纳二极管、双电源或单电源加齐纳二极管等。

五、电源和布局建议

1. 电源建议

• 推荐的输入电源电压（VCCI）范围为3V至5.5V，输出偏置电源电压（VDDA/VDDB）范围为9.2V至25V。在使用过程中，需要确保VDD和VCCI不低于各自的UVLO阈值。
• 在VDD和VSS引脚之间放置一个本地旁路电容，建议使用低ESR、陶瓷表面贴装电容，并且将其尽可能靠近器件。同时，在VCCI和GND引脚之间也需要放置一个旁路电容，其最小推荐值为100nF。

2. 布局建议

• 组件放置：将低ESR和低ESL的电容连接在VCCI和GND引脚以及VDD和VSS引脚之间，并且尽可能靠近器件，以支持外部功率晶体管导通时的高峰值电流。同时，要尽量减小顶部晶体管源极和底部晶体管源极之间的寄生电感，避免开关节点VSSA（HS）引脚出现大的负瞬变。
• 接地：将充电和放电晶体管栅极的高峰值电流限制在最小的物理区域内，以减少环路电感，降低晶体管栅极端子的噪声。将栅极驱动器尽可能靠近晶体管放置，注意包括自举电容、自举二极管、本地VSSB参考旁路电容和低侧晶体管体/反并联二极管在内的高电流路径，尽量减小该环路的长度和面积。
• 高压考虑：为了确保初级和次级侧之间的隔离性能，避免在驱动器器件下方放置任何PCB走线或铜箔，建议采用PCB切口来防止可能影响隔离性能的污染。对于半桥或高侧/低侧配置，尽量增加高侧和低侧PCB走线之间的间隙距离。
• 热考虑：如果驱动电压高、负载重或开关频率高，UCC21220和UCC21220A可能会消耗大量功率。通过合理的PCB布局，可以帮助将热量从器件散发到PCB上，减小结到板的热阻抗 (theta_{JB}) 。建议增加连接到VDDA、VDDB、VSSA和VSSB引脚的PCB铜箔面积，优先考虑最大化与VSSA和VSSB的连接。如果系统有多层，还可以通过多个适当尺寸的过孔将VDDA、VDDB、VSSA和VSSB引脚连接到内部接地或电源平面，但要注意保持上述高压PCB考虑因素。

六、总结

UCC21220和UCC21220A作为一款高性能的隔离式栅极驱动器，具有灵活的配置方式、强大的抗干扰能力、出色的输出能力和优异的开关参数等诸多优点。在实际应用中，通过合理的设计和布局，可以充分发挥其性能优势，实现高效、可靠的电源和电机驱动系统。电子工程师们在进行相关设计时，可以根据具体的应用需求和系统要求，充分考虑上述要点，以确保设计的成功。大家在使用UCC21220和UCC21220A的过程中，有没有遇到什么特别的问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。