UCC27212 半桥驱动器技术详解

在电子工程领域，功率转换和控制电路对于各种应用至关重要。而驱动器作为其中的关键组件，其性能直接影响着整个系统的效率和稳定性。今天，我们就来深入了解一款高性能的半桥驱动器——UCC27212。

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一、UCC27212 简介

UCC27212 是德州仪器（TI）推出的一款 120V、3.7A/4.5A 半桥驱动器，具有 5V 欠压锁定（UVLO）功能。它专为驱动 N 沟道 MOSFET 设计，适用于半桥、全桥或同步降压配置，可在多种电源转换电路中发挥重要作用。

二、关键特性

（一）强大的输出电流能力

UCC27212 具备 3.7A 的源极电流和 4.5A 的漏极电流输出能力，这使得它能够轻松驱动大型功率 MOSFET，满足高功率应用的需求。

（二）宽电压范围

• 电源电压：VDD 工作范围为 7V 至 17V，绝对最大电压可达 20V，为设计提供了一定的灵活性。
• 自举电压：最大自举电压为 120V DC，可适应高电压应用场景。

（三）快速的开关特性

• 上升和下降时间：在 1000pF 负载下，上升时间为 7.2ns，下降时间为 5.5ns，能够实现快速的开关动作，减少开关损耗。
• 传播延迟：典型传播延迟为 20ns，通道间典型延迟匹配为 4ns，确保了精确的信号传输和同步控制。

（四）增强的鲁棒性

• 输入耐压：输入引脚可承受 -10V 至 +20V 的电压，增加了电路的稳定性和抗干扰能力。
• ESD 保护：具有 ±2000V 的人体模型（HBM）和 ±1500V 的带电器件模型（CDM）静电放电保护，提高了器件的可靠性。

（五）欠压锁定保护

5V 关断欠压锁定功能有助于降低功耗，同时增加输入迟滞，提高了对模拟或数字 PWM 控制器的接口噪声免疫力。

三、应用领域

UCC27212 的高性能和广泛的特性使其适用于多种应用领域，包括但不限于：

• 太阳能：太阳能功率优化器和微型逆变器。
• 通信：电信和商用电源。
• 不间断电源：在线和离线 UPS。
• 储能系统：电池测试设备等。

四、引脚配置与功能

（一）引脚图

UCC27212 采用 DPR（WSON，10）封装，引脚配置如下：	引脚编号	引脚名称	I/O	描述
1	VDD	P	下栅极驱动器的正电源，需与 VSS（地）解耦，典型解耦电容范围为 0.22µF 至 4.7µF。
2	HB	P	高端自举电源，自举二极管集成在芯片内，但需外接自举电容，典型旁路电容范围为 0.022µF 至 0.1µF。
3	HO	O	高端输出，连接到高端功率 MOSFET 的栅极。
4	HS	P	高端源极连接，连接到高端功率 MOSFET 的源极，同时连接自举电容的负极。
5	N/C	-	无内部连接。
6	N/C	-	无内部连接。
7	HI	I	高端输入。
8	LI	I	低端输入。
9	VSS	G	器件的负电源端子，通常接地。
10	LO	O	低端输出，连接到低端功率 MOSFET 的栅极。
Pad	PowerPAD™	G	电气参考至 VSS（地），连接到大面积热质量走线或接地平面可显著改善热性能。

（二）引脚功能注意事项

• 输入引脚：HI 或 LI 输入假设连接到低阻抗源信号，源输出阻抗应小于 100Ω。若源阻抗大于 100Ω，需在 HI 和 VSS 以及 LI 和 VSS 之间分别添加旁路电容，电容值通常为 1nF 至 10nF，以消除可能的噪声影响。
• 自举电容：自举电容的选择对于高端驱动器的正常工作至关重要，需根据具体应用场景选择合适的电容值。

五、规格参数

（一）绝对最大额定值

在使用 UCC27212 时，需注意各引脚的绝对最大额定值，避免超出范围导致器件损坏。例如，VDD 引脚的电压范围为 -0.3V 至 20V，HI 和 LI 输入引脚的电压范围为 -10V 至 20V 等。

（二）ESD 额定值

UCC27212 具有良好的 ESD 保护能力，人体模型（HBM）为 ±2000V，带电器件模型（CDM）为 ±1500V，可有效防止静电对器件的损害。

（三）推荐工作条件

为确保 UCC27212 的最佳性能，推荐在特定的工作条件下使用。例如，VDD 电源电压推荐范围为 7V 至 17V，工作结温范围为 -40°C 至 +150°C 等。

（四）热信息

了解器件的热特性对于设计散热方案至关重要。UCC27212 的热阻参数包括结到环境热阻（RθJA）、结到外壳（顶部）热阻（RθJC(top)）、结到电路板热阻（RθJB）等，可根据这些参数计算器件的温度。

（五）电气特性

• 输入特性：输入电压高阈值为 1.7V 至 2.55V，低阈值为 1.2V 至 1.9V，输入迟滞为 0.7V，输入下拉电阻为 68kΩ。
• 输出特性：低电平输出电压在 0.07V 至 0.19V 之间，高电平输出电压在 0.11V 至 0.29V 之间，峰值上拉电流和下拉电流分别为 3.7A 和 4.5A。

（六）开关特性

• 传播延迟：VLI 下降到 VLO 下降的传播延迟（tDLFF）为 10ns 至 30ns，VHI 下降到 VHO 下降的传播延迟（tDHFF）为 10ns 至 30ns 等。
• 延迟匹配：HO 关断到 LO 导通的延迟（tMON）和 LO 关断到 HO 导通的延迟（tMOFF）在不同温度下的典型值为 4ns。
• 输出上升和下降时间：在 1000pF 负载下，LO 和 HO 的上升时间为 7.2ns，下降时间为 5.5ns。

六、详细工作原理

（一）功能框图

UCC27212 的功能主要分为输入级、UVLO 保护、电平转换、自举二极管和输出驱动器级。输入级提供与 PWM 输出信号的接口，UVLO 保护用于监测电源电压，确保在电压异常时保护器件。电平转换电路实现高端输入到高端驱动器级的接口转换，自举二极管用于产生高端偏置电压，输出驱动器级则负责驱动功率 MOSFET。

（二）工作模式

• 正常模式：输出状态取决于 HI 和 LI 引脚的状态。当 HI 和 LI 引脚为低电平时，HO 和 LO 输出均为低电平；当 HI 为低电平、LI 为高电平时，HO 为低电平、LO 为高电平；当 HI 为高电平、LI 为低电平时，HO 为高电平、LO 为低电平；当 HI 和 LI 引脚为高电平时，HO 和 LO 输出均为高电平。
• UVLO 模式：当 VDD 或 VHB 电压低于指定阈值时，UVLO 保护功能会使驱动器输出保持低电平，以保护器件和电路。

七、应用与设计

（一）应用信息

在功率转换电路中，为了实现功率器件的快速开关和降低开关损耗，需要使用强大的栅极驱动器。UCC27212 不仅能够提供足够的驱动电流，还具备电平转换和缓冲驱动功能，可有效解决数字控制器无法直接驱动功率开关的问题。此外，它还能减少高频开关噪声的影响，降低控制器的功耗和热应力。

（二）典型应用设计

1. 设计要求

以一个具体的设计示例为例，设计参数如下：

• 电源电压 VDD：12V
• HS 引脚电压 VHS：0V 至 100V
• HB 引脚电压 VHB：12V 至 112V
• 输出电流额定值 IO：-4.5A/3.7A
• 工作频率：500kHz

2. 详细设计步骤

• 功率损耗计算：栅极驱动器的功率损耗分为直流部分（PDC）和开关部分（PSW）。PDC 可通过公式 (PDC = IQ × V{DD}) 计算，其中 (I_Q) 为驱动器的静态电流。PSW 则与功率器件的栅极电荷、开关频率和外部栅极电阻有关，可通过公式 (P_G = QG × V{DD} × f_{SW}) 计算。
• 电容选择：根据设计要求，选择合适的自举电容和旁路电容。自举电容用于为高端驱动器提供偏置电压，旁路电容则用于减少电源电压的波动。

（三）布局建议

良好的布局对于提高电路的性能和可靠性至关重要。以下是一些 UCC27212 的布局建议：

• 驱动器位置：将驱动器尽可能靠近 MOSFET 放置，以减少布线长度和寄生电感。
• 电容位置：将 (V{DD}-V{SS}) 和 (V{HB}-V{HS}) （自举）电容尽可能靠近器件放置，以提高电容的去耦效果。
• 地平面：使用器件的散热焊盘作为地，将其连接到 VSS 引脚（地），并确保地走线直接连接到 MOSFET 的源极，避免处于 MOSFET 的高电流路径中。
• 信号走线：避免 VDD 走线靠近 LO、HS 和 HO 信号，使用宽走线用于 LO 和 HO 信号，并尽可能靠近相关的地或 HS 走线。

八、总结

UCC27212 是一款性能优异的半桥驱动器，具有强大的输出电流能力、宽电压范围、快速的开关特性和增强的鲁棒性。它适用于多种功率转换应用，能够为工程师提供高效、可靠的解决方案。在设计过程中，需要根据具体的应用需求合理选择参数，并遵循布局建议，以确保电路的性能和稳定性。希望本文能够帮助工程师更好地了解和使用 UCC27212 驱动器。

你在使用 UCC27212 或其他类似驱动器的过程中遇到过哪些问题？欢迎在评论区分享你的经验和见解。