深入剖析UCC27518和UCC27519单通道高速低侧栅极驱动器

在电子设计的领域中，栅极驱动器对于功率开关的驱动起着至关重要的作用。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）的UCC27518和UCC27519单通道高速低侧栅极驱动器，这两款器件在开关电源等应用中有着广泛的应用前景。

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一、产品概述

UCC27518和UCC27519是单通道、高速、低侧栅极驱动器，能够有效驱动MOSFET和IGBT功率开关。它们采用了一种能将直通电流降至最低的设计，可向容性负载提供和吸收高峰值电流脉冲，具备轨到轨驱动能力，典型传播延迟仅为17ns。在VDD = 12V时，能提供4A源极和4A漏极（对称驱动）的峰值驱动电流能力。

二、产品特性亮点

（一）成本与兼容性

这两款器件成本较低，能很好地替代NPN和PNP分立解决方案，并且与TI的TPS2828和TPS2829器件引脚兼容，为工程师在设计时提供了更多的选择和便利。

（二）驱动能力

具备4A峰值源极和4A峰值漏极的对称驱动能力，能够满足多种功率开关的驱动需求，确保功率开关的快速、稳定切换。

（三）高速性能

快速的传播延迟（典型值17ns）和快速的上升、下降时间（典型值分别为8ns和7ns），使得在高频开关应用中，能有效减少脉冲传输失真，提高系统的效率和性能。

（四）宽工作范围

单电源范围为4.5V至18V，工作温度范围为 - 40°C至140°C，这使得它们能够适应不同的工作环境和电源条件，增强了系统的稳定性和可靠性。

（五）输入输出特性

• CMOS输入逻辑阈值：输入阈值电压是VDD电源电压的函数，典型的输入高阈值（VIN - H）为55%VDD，输入低阈值（VIN - L）为39%VDD，且高低阈值之间有较宽的滞回（典型值16%VDD），这提供了出色的抗噪能力，还允许用户通过在输入PWM信号和器件的INx引脚之间使用RC电路来引入延迟。
• 输出特性：在VDD欠压锁定（UVLO）期间输出保持低电平，确保上电和掉电时无干扰运行；当输入引脚浮空时，输出也保持低电平，这是一个重要的安全特性。

（六）使能功能

EN引脚用于使能功能，该引脚可以不连接，方便与TI的其他产品兼容。其阈值为固定电压阈值，不随VDD引脚偏置电压变化，典型的使能高阈值（VEN - H）为2.1V，使能低阈值（VEN - L）为1.25V。

三、应用领域广泛

UCC27518和UCC27519在多个领域都有重要应用：

（一）开关电源

在开关模式电源和DC - DC转换器中，它们能够快速驱动功率开关，减少开关损耗，提高电源的效率和性能。

（二）数字电源

作为数字功率控制器的配套栅极驱动器设备，能为数字电源系统提供稳定、高效的驱动能力。

（三）新兴功率器件

对于新兴的宽带隙功率器件（如GaN），由于其对驱动要求较高，需要低电压驱动、低传播延迟等特性，UCC27518和UCC27519正好满足这些需求，成为驱动这类器件的理想选择。

四、详细特性剖析

（一）VDD和欠压锁定（UVLO）

器件的VDD引脚具备内部欠压锁定（UVLO）保护功能。当VDD电压低于开启阈值（典型值4.2V）或关闭阈值时，电路会将所有输出保持为低电平，不受输入状态的影响。该功能的滞回特性（典型值300mV）可防止在低VDD电源电压有噪声或系统开关时VDD偏置电压下降时出现抖动。同时，它们能够在低电压（如低于5V）下工作，结合出色的开关特性，非常适合驱动GaN宽带隙功率半导体器件。为了确保高速电路性能，建议在VDD和GND引脚之间使用两个旁路电容，一个0.1μF的陶瓷电容尽可能靠近引脚放置，另一个较大的电容（如1μF）具有较低的ESR，与之并联放置，以提供负载所需的高电流峰值。

（二）工作电源电流

UCC27518和UCC27519的静态电流非常低。在欠压锁定（UVLO）状态和完全导通状态（静态和开关条件下）的典型工作电源电流在相关图表中有详细展示。总电源电流是静态电流、由于开关产生的平均电流以及任何与未使用输入引脚的上拉电阻相关的电流之和。在不同VDD偏置电压和1.8nF开关负载下，IDD电流随开关频率的变化呈现出明显的线性关系，且与理论值的平均IOUT密切相关，这表明栅极驱动器内部的直通电流可以忽略不计，体现了其高速特性。

（三）输入级

输入引脚基于CMOS输入逻辑，阈值电压是VDD引脚偏置电压的函数。这使得它们在高VDD电压下具有宽滞回特性，能够接受缓慢的dV/dt输入信号，并且可以通过在输入PWM信号和INx引脚之间插入RC电路来编程输入信号和输出转换之间的延迟。

（四）使能功能

使能引脚采用非反相配置（高电平有效操作）。当EN引脚驱动为高电平时，输出被启用；驱动为低电平时，输出被禁用。与输入引脚不同，使能引脚的阈值基于与TTL/CMOS兼容的输入阈值逻辑，不随电源电压变化。因此，可以使用3.3V和5V微控制器的逻辑信号来有效控制EN引脚。该引脚内部通过上拉电阻连接到VDD，默认状态下设备输出是启用的，所以在不需要使能功能时，EN引脚可以浮空或不连接，这使得UCC27518/19与TI的上一代驱动器TPS2828/9引脚兼容。

（五）输出级

在VDD = 12V时，UCC27518和UCC27519能够提供4A源极和4A漏极的对称驱动。其输出级采用独特的架构，在功率开关导通过渡的米勒平台区域（功率开关漏极/集电极电压发生dV/dt变化时）能够提供最高的峰值源电流。输出级采用混合上拉结构，使用N沟道和P沟道MOSFET器件并联排列。在输出从低电平变为高电平时，短暂地导通N沟道MOSFET，能够提供峰值源电流的短暂提升，实现快速导通。输出电压在VDD和GND之间摆动，实现轨到轨操作，由于MOS输出级的压降非常低。MOSFET体二极管对开关过冲和下冲提供低阻抗，在很多情况下可以省去外部肖特基二极管钳位。输出设计能够承受500mA的反向电流，而不会损坏设备或导致逻辑故障。

（六）低传播延迟

在VDD = 12V时，输入到输出的传播延迟典型值为17ns，这在业界标准的栅极驱动器器件中处于领先水平，能够保证高频开关应用中脉冲传输失真最小。并且传播延迟随温度和电源电压的变化很小，在整个应用条件范围内典型传播延迟小于20ns。

五、应用与设计实现

（一）设计要求

在为最终应用选择合适的栅极驱动器时，需要考虑多个设计参数，如输入到输出的配置（反相或同相）、输入阈值类型（如CMOS类型）、VDD偏置电源电压、峰值源极和漏极电流、是否需要独立的使能和禁用功能、传播延迟以及封装类型等。

（二）详细设计步骤

1. 输入到输出逻辑

如果希望在输入信号为高电平时导通功率MOSFET或IGBT，应选择同相配置；如果希望在输入信号为高电平时关断功率MOSFET或IGBT，则应选择反相配置。UCC27518和UCC27519分别遵循反相和同相逻辑。

2. 输入阈值类型

UCC27518和UCC27519采用CMOS输入阈值逻辑，具有较宽的滞回特性。该逻辑的阈值电压是VDD引脚偏置电压的函数，典型的高阈值为VDD电源电压的55%，低阈值为39%（在VDD = 12V时），滞回典型值为16%VDD。与逻辑电平阈值器件相比，CMOS逻辑提供的阈值电压绝对值更高，这带来了更好的抗噪能力，并且能够接受缓慢的dV/dt输入信号，允许设计师在输入引脚使用RCD电路来编程传播延迟。但需要注意的是，由于CMOS输入逻辑的特性，UCC27518和UCC27519不能直接由微控制器、数字功率控制器或DSP的逻辑电平控制信号驱动，更适合由与栅极驱动器器件使用相同VDD电压的模拟控制器驱动。

3. VDD偏置电源电压

施加到器件VDD引脚的偏置电源电压不应超过推荐工作条件中列出的值。不同的功率开关需要不同的栅极电压来实现有效的导通和关断。UCC27518和UCC27519具有4.5V至18V的宽工作范围，可用于驱动多种功率开关，如Si MOSFET、IGBT和宽带隙功率半导体（如GaN）。

4. 峰值源极和漏极电流

为了最小化开关功率损耗，功率开关在导通和关断时的开关速度应尽可能快。栅极驱动器必须能够提供所需的峰值电流，以实现目标功率MOSFET的目标开关速度。例如，在一个特定的应用中，要求SPP20N60C3功率MOSFET在400V直流母线电压下以20V/ns或更高的dVDS/dt导通，经计算需要栅极驱动器提供1.65A或更高的峰值电流，而UCC27518和UCC27519能够提供4A的峰值源电流，满足设计要求。但在实际设计中，PCB栅极驱动电路中的寄生走线电感会影响功率MOSFET的开关速度，因此应将栅极驱动器靠近功率MOSFET放置，设计一个具有最小PCB走线电感的紧密栅极驱动环路，以实现栅极驱动器的全峰值电流能力。

5. 使能和禁用功能

某些应用需要独立控制驱动器的输出状态，而不涉及输入信号。UCC27518和UCC27519提供的使能引脚可以满足这一需求。

6. 传播延迟

栅极驱动器的可接受传播延迟取决于其使用的开关频率以及系统可接受的脉冲失真水平。UCC27518和UCC27519具有业界领先的17ns（典型值）传播延迟，确保脉冲失真极小，允许在非常高的频率下工作。

六、电源供应与布局建议

（一）电源供应建议

UCC27518和UCC27519的额定工作偏置电源电压范围为4.5V至18V。较低的电压范围由VDD引脚电源电路块上的内部欠压锁定（UVLO）保护功能决定，当VDD引脚电压低于开启阈值时，输出保持低电平。较高的电压范围受VDD引脚20V的绝对最大电压额定值限制，建议最大电压为18V，以留出2V的余量应对瞬态电压尖峰。UVLO保护功能还具有滞回特性，在电压下降时，只要不超过滞回规格，设备将继续正常工作。在系统关闭期间，设备将继续工作直到VDD引脚电压低于关闭阈值；在系统启动时，设备要等到VDD引脚电压超过开启阈值才开始工作。为了去耦，应在VDD和GND引脚之间提供本地旁路电容，并尽可能靠近设备放置，建议使用一个100nF的陶瓷表面贴装电容和一个几微法的表面贴装电容并联。

（二）布局建议

1. 布局准则

• 靠近功率器件：将驱动器设备尽可能靠近功率器件放置，以最小化输出引脚和功率器件栅极之间的高电流走线长度。
• 旁路电容放置：将VDD旁路电容放置在VDD和GND之间，尽可能靠近驱动器，减少走线长度，以提高噪声过滤效果。建议使用低电感的SMD组件，如片式电阻器和片式电容器。
• 最小化电流环路：尽量减小导通和关断电流环路路径（驱动器设备、功率MOSFET和VDD旁路电容）的面积，以将杂散电感降至最低。因为在导通和关断瞬变期间，这些环路中会建立高dI/dt，可能会在驱动器设备的输出引脚和功率开关的栅极上感应出显著的电压瞬变。
• 并行走线：在可能的情况下，将源极和返回走线并行放置，利用磁通抵消原理减少干扰。
• 分离信号和功率走线：将功率走线和信号走线（如输出和输入信号）分开，以减少干扰。
• 星型接地：采用星型接地方法，将驱动器的GND连接到其他电路节点（如功率开关的源极、PWM控制器的地等）的单点上，连接路径应尽可能短以减少电感，尽可能宽以减少电阻。
• 使用接地平面：使用接地平面提供噪声屏蔽，防止OUT引脚的快速上升和下降时间在转换期间干扰输入信号。接地平面不应作为任何电流环路的传导路径，而应通过一条单一的走线连接到星型接地，以建立接地电位，同时接地平面还可以帮助散热。

2. 热考虑

驱动器的有用范围受负载的驱动功率要求和封装的热特性影响。为了使栅极驱动器在特定温度范围内正常工作，封装必须能够有效地散热，同时保持结温在额定范围内。详细的热信息可参考德州仪器的应用笔记《IC封装热指标》（SPRA953）。

3. 功率损耗

栅极驱动器的功率损耗分为直流部分（PDC）和开关部分（PSW）。直流部分的功率损耗PDC = IQ ×VDD，其中IQ是驱动器的静态电流。UCC27518和UCC27519的静态电流非常低（小于1mA），并且内部逻辑消除了输出驱动器级的直通电流，因此直流部分的功率损耗可以忽略不计。开关部分的功率损耗PSW取决于功率器件所需的栅极电荷、开关频率和外部栅极电阻的使用。可以通过相关公式计算功率损耗，当使用外部栅极电阻时，功率损耗将在驱动器的内部电阻和外部栅极电阻之间按电阻比例分配。

七、总结

UCC27518和UCC27519单通道高速低侧栅极驱动器凭借其出色的性能、广泛的应用范围和灵活的设计特性，成为电子工程师在开关电源、数字电源以及新兴宽带隙功率器件驱动等领域的理想选择。在实际设计中，工程师需要充分考虑其各项特性和设计要求，合理布局和选择电源，以确保系统的高效、稳定运行。大家在使用这两款驱动器的过程中，有没有遇到过一些独特的问题或者有什么特别的经验呢？欢迎在评论区留言分享。