TPS28226：高性能同步 MOSFET 驱动器的卓越之选

在电子设计领域，MOSFET 驱动器的性能对整个电源系统的效率、可靠性和性能起着至关重要的作用。今天，我们就来深入探讨一款由德州仪器（TI）推出的高性能同步 MOSFET 驱动器——TPS28226。

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一、产品概述

TPS28226 是一款专为 N 沟道互补驱动功率 MOSFET 设计的高速驱动器，具备自适应死区时间控制功能。它经过优化，适用于各种高电流单相位和多相位 DC - DC 转换器，能够提供高效率、小尺寸和低 EMI 排放的解决方案。

（一）产品特性

1. 自适应死区时间控制：拥有 14ns 的自适应死区时间，有效避免上下管同时导通，减少直通电流，提高系统效率。
2. 宽电压范围：
   • 栅极驱动电压范围为 4.5V 至 8.8V，在 7V 至 8V 时效率最佳，能适应不同的应用需求。
   • 电源系统输入电压范围为 3V 至 27V，输入 PWM 信号幅度为 2.0V 至 13.2V，具备良好的兼容性。
3. 高电流驱动能力：能够驱动每相电流≥40A 的 MOSFET，满足高功率应用场景。
4. 高频操作：传播延迟仅 14ns，上升/下降时间为 10ns，允许开关频率 (F_{SW}) 高达 2MHz，还能传播小于 30ns 的输入 PWM 脉冲。
5. 低侧驱动器导通电阻：低侧驱动器灌电流导通电阻仅 0.4Ω，可防止 dV/dt 相关的直通电流。
6. 多种保护功能：具备 3 态 PWM 输入用于功率级关断、Enable 和 Power Good 信号共享引脚、热关断和 UVLO 保护等功能，提高系统的可靠性。
7. 内置自举二极管：方便使用半桥配置中的 N 沟道 MOSFET，简化电路设计。
8. 紧凑封装：提供经济实惠的 SOIC - 8 和热增强型 3mm x 3mm DFN - 8 封装，节省 PCB 空间。

（二）应用领域

• 多相位 DC - DC 转换器：适用于模拟或数字控制的多相位 DC - DC 转换器，可提高电源转换效率和功率密度。
• 桌面和服务器 VRMs 及 EVRDs：满足服务器等设备对高效稳定电源的需求。
• 便携式和笔记本调节器：为便携式设备提供高效的电源管理解决方案。
• 隔离电源的同步整流：提高隔离电源的效率和性能。

二、产品详细解析

（一）引脚配置与功能

TPS28226 有两种封装：SOIC - 8 和 VSON - 8。其主要引脚功能如下：	引脚名称	SOIC 引脚号	VSON 引脚号	I/O 类型	描述
BOOT	2	2	I/O	上栅极驱动的浮动自举电源引脚，连接自举电容到 PHASE 引脚，为上 MOSFET 的导通提供电荷。
EN/PG	7	7	I/O	使能/电源良好输入/输出引脚，阻抗为 1MΩ。高电平使能，低电平禁用。当禁用时，器件偏置电流小于 350μA。当 (V_{DD}) 低于 UVLO 阈值或发生热关断时，该引脚内部拉低。
GND	4	4	-	接地引脚，所有信号以此为参考。
LGATE	5	5	O	下栅极驱动灌电流和源电流输出，连接到低侧功率 N 沟道 MOSFET 的栅极。
PHASE	8	8	I	连接到上 MOSFET 的源极和下 MOSFET 的漏极，为上栅极驱动器提供返回路径。
PWM	3	3	I	PWM 信号是驱动器的控制输入，可进入三种不同状态，具体见详细说明中的 3 态 PWM 输入部分。
UGATE	1	1	O	上栅极驱动灌电流/源电流输出，连接到高侧功率 N 沟道 MOSFET 的栅极。
VDD	6	6	I	连接到 5V 偏置电源，需在该引脚与 GND 之间放置高质量旁路电容。

（二）技术参数

1. 绝对最大额定值

涵盖输入电源电压范围、启动电压、相位电压、输入输出电压范围等参数，同时对连续总功率耗散、工作结温范围、环境温度范围等进行了限制，确保器件在安全的工作条件下运行。例如，输入电源电压 (V_{DD}) 范围为 - 0.3V 至 8.8V，工作结温范围为 - 40°C 至 150°C。

2. ESD 额定值

人体模型（HBM）为 ±2000V，充电器件模型（CDM）为 ±500V，表明器件具备一定的静电防护能力，但在使用过程中仍需注意静电防护措施。

3. 推荐工作条件

推荐输入电源电压 (V{DD}) 为 6.8V 至 8V，典型值为 7.2V，功率输入电压 (V{IN}) 为 3V 至 (32V - V_{DD})，工作结温范围为 - 40°C 至 125°C。在这些条件下使用，可确保器件性能的稳定性和可靠性。

4. 电气特性

包括欠压锁定、偏置电流、输入（PWM）、使能/电源良好、上下栅极驱动器输出、自举二极管、热关断等方面的参数。例如，欠压锁定上升阈值典型值为 6.35V，下降阈值为 5.0V，滞回电压为 1.35V；下栅极驱动器灌电流输出电阻典型值为 0.4Ω 等。

5. 开关特性

UGATE 和 LGATE 的关断传播延迟典型值均为 14ns，LGATE 关断到 UGATE 导通以及 UGATE 关断到 LGATE 导通的死区时间典型值也为 14ns，这些参数有助于实现高效的开关操作。

（三）功能特性

1. 欠压锁定（UVLO）

当输入电源电压 (V{DD}) 不足以为外部功率 FET 提供可靠驱动时，UVLO 电路会使驱动器禁用，外部功率 FET 处于关断状态。上电时，只有当 (V{DD}) 达到 UVLO 阈值（典型值 6.35V）时，栅极驱动输出才会根据输入 PWM 和 EN/PG 信号确定状态。下电时，UVLO 阈值设定较低（典型值 5.0V），通过 1.35V 的滞回电压防止驱动器在输入电压跨越 UVLO 阈值时频繁开关。同时，当 (V_{DD}) 不足时，器件会通过内部拉低 EN/PG 引脚向系统控制器发送信号。

2. 输出低电平有效

即使驱动器未上电，该电路也能有效保持栅极输出为低电平，防止外部功率 FET 出现开路栅极情况，避免在主功率级供电电压先于驱动器上电时意外导通。

3. 使能/电源良好（Enable/Power Good）

该电路允许 TPS28226 在 EN/PG 引脚电压高于最大 2.1V 时跟随 PWM 输入信号，具备独特的双向通信能力。当输入电压 (V_{DD}) 低于 UVLO 阈值或发生热关断时，内部 MOSFET 会通过 1kΩ 电阻将 EN/PG 引脚拉低，向系统控制器表明驱动器未准备好。此外，EN/PG 引脚还可作为驱动器的第二个脉冲输入，与 PWM 输入配合，实现同步降压调节器作为传统降压调节器的功能，在某些特定应用中具有重要意义。

4. 3 态输入

当 EN/PG 引脚设置为高电平且输入 PWM 脉冲启动后，死区时间控制电路可确保 UGATE 和 LGATE 驱动输出不重叠，消除外部功率 FET 的直通电流。同时，TPS28226 具有自调节的 PWM 3 态输入电路，当输入信号处于高阻态至少 250ns 时，可将两个栅极驱动输出设置为低电平，使外部功率 FET 关断。3 态窗口的下限阈值固定在约 1.0V，上限阈值可根据输入信号幅度进行自调节，允许输入 PWM 脉冲信号在较宽的幅度范围内工作。要退出 3 态操作模式，PWM 信号需至少高低变化一次，以恢复自举电容上可能在 3 态模式下放电的电压。

5. 自举二极管

自举二极管在低侧 FET 导通时，从输入电压 (V_{DD}) 为连接在 BOOT 和 PHASE 引脚之间的自举电容充电，为 UGATE 驱动器提供电源电压。在初始阶段，当两个功率 FET 都关断时，自举电容通过包含 PHASE 引脚、输出电感和大输出电容的路径预充电至 GND。在偏置电流为 100mA 时，二极管的正向电压降仅为 1.0V，可在高频操作期间快速恢复自举电容的电荷。

6. 上下栅极驱动器

上下栅极驱动器可对功率 MOSFET 的输入电容进行充电和放电，使开关频率可达 2MHz。输出级由 P 沟道 MOSFET 提供源电流、N 沟道 MOSFET 提供灌电流，其导通电阻针对同步降压转换器在低占空比、额定稳态条件下的工作进行了优化。UGATE 输出驱动器能够传播小于 30ns 的 PWM 输入脉冲，同时保持适当的死区时间，避免直通电流。

7. 死区时间控制

死区时间控制电路对于在整个占空比范围内、使用不同功率 MOSFET 时实现最高效率和无直通电流操作至关重要。通过检测驱动器输出变为低电平，该电路在第一个驱动器输出降至指定阈值以下之前，不会允许另一个驱动器的栅极驱动输出变为高电平。这种控制死区时间的方法称为自适应控制，整体死区时间还包括固定部分，以确保不会出现重叠。典型死区时间约为 14ns，能根据电感电流方向保持适当的死区时间，可应用于降压和升压调节器或任何功率 MOSFET 互补开关的桥接配置中。较短的最佳死区时间可根据开关频率提高 1% 至 2% 的效率，同时可消除在特定边界条件下有效占空比调制的风险。

8. 热关断

当结温超过 160°C 时，热关断电路会将两个栅极驱动器输出拉低，使低侧和高侧功率 FET 关断。当驱动器冷却至 140°C 以下后，将恢复正常操作并跟随外部控制电路的 PWM 输入和 EN/PG 信号。在热关断状态下，内部 MOSFET 会将 EN/PG 引脚拉低，表明驱动器未准备好继续正常操作，可作为整个系统过热的额外保护措施。

三、应用与设计

（一）应用信息

在功率设备的快速开关过程中，为减少开关功率损耗，通常需要在控制器的 PWM 输出和功率半导体器件的栅极之间使用强大的 MOSFET 驱动器。特别是在数字电源中，由于数字控制器的 PWM 信号通常为 3.3V 逻辑信号，无法有效导通功率开关，需要 MOSFET 驱动器进行电平转换和缓冲驱动。此外，MOSFET 驱动器还可减少高频开关噪声的影响、驱动栅极驱动变压器、控制浮动功率器件的栅极，将栅极电荷功率损耗从控制器转移到驱动器，降低控制器的功耗和热应力。

（二）典型应用

以多相高电流降压电源中的 DC - DC 转换器为例，如图所示，该设计使用一个高侧 MOSFET Q10 和两个并联的低侧 MOSFET Q8 和 Q9，由 TPS28226 驱动，并由多相降压 DC - DC 控制器（如 TPS40090）控制。由于 TPS28226 具有内部直通保护功能，每个通道只需一个 PWM 控制信号。

1. 设计要求

该 VRM 参考设计每相能够驱动 35A 电流，输入电压标称值为 12V，公差范围为 ±5%，开关频率为 500kHz，标称占空比为 10%，低侧 MOSFET 导通时间为 90%。通过选择较低的 (R_{DS(on)}) 值，可将开关元件的导通损耗降至最低。同时，对输出电压、频率、负载电流瞬态时的输出电压峰 - 峰变化以及动态输出电压变化斜率等参数都有具体要求。

2. 详细设计流程

• 自举电流限制：通过改变电阻 R32 来限制自举电流，防止自举电容过充电，减慢高侧 MOSFET 的导通过渡，减少开关节点的峰值幅度和振铃，降低 Cdv/dt 引起的低侧 MOSFET 直通电流的可能性。
• 吸收电路设计：由 C50 与 R51 以及 C51 与 R52 组成的吸收电路有助于减少开关噪声。
• 输出元件选择：考虑到输出电压快速变化的要求，选择小电容值的输出电容和低电感的电感。由于占空比小，低侧 MOSFET 导通时间长，因此选择两个低侧 MOSFET 以提高热性能和效率。
• 驱动电压和死区时间优化：使用最佳驱动电压和最佳死区时间的驱动器可将效率提高达 5%。8V 驱动电压相比 5V 驱动可使效率提高 2% 至 3%，其余 1% 至 2% 的效率提升可归因于减少的死区时间。在开关频率高于 400kHz 的范围内，7V 至 8V 驱动电压是最佳选择。
• MOSFET 开关设计：在高开关频率下高效驱动 MOSFET 需要特别注意布局和减少寄生电感。通过优化驱动器芯片和封装以及 PCB 布局，可将寄生电感降至最低。实际测量表明，由于寄生电感的存在，实际波形会出现振铃现象，但通过合理设计可有效控制。使用 DFN - 8 封装可将内部寄生电感降低约 50%。

（三）系统示例

文档中还给出了 TPS28226 在降压电源中的典型应用示例，包括单相位 POL 调节器、同步整流驱动器和多相同步降压转换器等。这些示例展示了 TPS28226 在不同应用场景下的灵活性和高性能。

四、电源供应建议与布局规则

（一）电源供应建议

TPS28226 的工作电源电压范围为 4.5V 至 8V，下限由欠压锁定阈值决定。当 (V{DD}) 过低时，UVLO 会禁用驱动器，使功率 FET 关断。建议在 (V{DD}) 和 GND 之间使用 0.22μF 至 4.7μF 的低 ESR 陶瓷去耦电容，以提供稳定的电源。

（二）布局规则

良好的布局对于提高设计的开关特性和效率至关重要。以下是一些布局准则：

1. 驱动器位置：将驱动器尽可能靠近 MOSFET 放置，减少寄生电感和信号延迟。
2. 电容放置：将 (V_{DD}) 和自举电容尽可能靠近驱动器放置，保证电源的稳定性。
3. GND 走线：使用 DFN - 8 封装的散热焊盘作为 GND，将其连接到 GND 引脚，并确保驱动器的 GND 走线或焊盘直接连接到 MOSFET 的源极，但不包括主电流通过 MOSFET 漏极和源极的高电流路径。
4. PHASE 节点处理：对 PHASE 节点采用与 GND 类似的处理方式。
5. 驱动走线：UGATE 和 LGATE 采用宽走线，宽度最好在 80 至 100mils 之间，并紧密跟随相关的 PHASE 和 GND 走线。
6. 过孔使用：如果 MOSFET 驱动走线需要从一层路由到另一层，至少使用 2 个或更多过孔。对于 GND，过孔数量不仅要考虑寄生电感，还要考虑散热焊盘的要求。
7. 信号隔离：避免 PWM 和使能走线靠近 PHASE 节点和焊盘，防止高 dV/dT 电压在相对高阻抗引脚上引入显著噪声。

不佳的布局可能会导致效率降低 3% 至 5%，甚至降低整个系统的可靠性。通过参考文档中的典型布局示例和相关波形图，可以更好地理解和应用这些布局规则。

五、总结

TPS28226 是一款功能强大、性能卓越的同步 MOSFET 驱动器，具有宽电压范围、高电流驱动能力、高频操作、多种保护功能等优点。通过合理的设计和布局，它能够在多相位 DC - DC 转换器、服务器电源、便携式设备等众多应用场景中发挥出色的性能，为电子工程师提供了一个可靠的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体的设计要求和应用场景，充分发挥 TPS28226 的优势，同时注意布局和电源供应等方面的细节，以实现最佳