HIP4080A 80V 高频 H 桥驱动器应用详解

在电子设计领域，H 桥驱动器是一个关键的组件，广泛应用于各种电机驱动和电源控制等场景。今天我们要深入探讨的是 HIP4080A 80V 高频 H 桥驱动器，它属于 HIP408x 系列，具备诸多优秀特性，能满足多种应用需求。

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一、HIP4080A 概述

HIP4080A 是 HIP408x 系列高频 H 桥驱动器 IC 的一员。它可以在 10VDC 到 80VDC 的总线上工作，用于驱动由功率 N 沟道 MOSFET 组成的 H 桥。该系列采用 20 引脚 DIP 和 20 引脚 SOIC DIP 封装，能提供 2.5A 的峰值栅极电流驱动。

1. 欠压保护与启动序列

HIP4080A 具备欠压保护功能。当 (V{DD}) 电压低于标称的 8.25V 时，它会向所有栅极输出发送连续的栅极关断脉冲。而当 (V{DD}) 电压回升到标称的 8.75V 以上，且 DIS 引脚处于低电平时，启动序列将被触发。启动序列会先打开低侧输出 ALO 和 BLO，为 H 桥两侧的自举电容完全充电。在标称的 400ns 自举刷新期间，AHO 和 BHO 栅极输出持续保持低电平，以确保不会发生直通现象。刷新期结束后，输出将根据输入控制信号的状态正常响应。

2. 供电技术

采用自举和电荷泵技术为 H 桥的上半部分电路供电。自举技术提供开启功率器件所需的高瞬时电流，而电荷泵则为上驱动部分和 MOSFET 提供足够的电流以维持偏置电压。由于上偏置电源引脚的电压会随上功率开关的源极端子浮动，该系列设计使得上偏置电源端子的电压能力可达 95VDC。

3. 应用场景

HIP4080A 可用于汽车和工业应用中的灯负载驱动。当切换感性负载时，需要在负载周围放置续流二极管以保护 MOSFET 开关。此外，它还适用于全桥拓扑的多种应用，如音圈电机驱动器、步进和直流有刷电机、音频放大器以及不间断电源中的电源逆变器等。音圈电机驱动器和音频放大器还可以利用 HIP4080A 内置的比较器，通过添加正反馈实现迟滞控制。

二、HIP4080A 功能特性

1. 输入逻辑

HIP4080A 接受控制功率 MOSFET H 桥输出状态的输入信号，并提供一个比较器输出引脚 OUT，可用于补偿或迟滞控制。DIS 引脚为禁用引脚，无论输入引脚 IN+、IN - 和 HEN 的状态如何，它都能禁用所有 H 桥 MOSFET 的栅极驱动。HEN 引脚为高使能引脚，用于启用或禁用两个高侧 MOSFET 的栅极驱动。通过对 HEN 引脚的操作，可以实现对高侧驱动的调制，从而减少开关损耗。

2. 传播延迟控制

这是 HIP4080A 的一个重要特性。IC 内的两个相同子电路会延迟 H 桥 A 侧和 B 侧功率 MOSFET 栅极开启信号的换向，而栅极关断信号则不延迟。通过在 HDEL 引脚和 (V{SS}) 引脚之间连接电阻，可以调整低侧到高侧的换向延迟时间；在 LDEL 引脚和 (V{SS}) 引脚之间连接电阻，则可以控制高侧到低侧的换向延迟时间。推荐的电阻值范围为 10kΩ 到 200kΩ。

3. 电平转换

低功率 MOSFET 栅极驱动信号从传播延迟和控制电路进入放大电路，而高功率 MOSFET 栅极驱动信号则先经过电平转换电路，再进入上功率 MOSFET 驱动电路。电平转换电路将传播延迟子电路的“开”和“关”脉冲传递到上逻辑和栅极驱动子电路，这些子电路的电位与上功率 MOSFET 源极连接点的电位相同。为了最小化电平转换电路的功耗，需要尽量减小转换脉冲的宽度。

4. 电荷泵电路

HIP4080A 中有两个电荷泵电路，分别为两个上逻辑和驱动电路供电。每个电荷泵使用开关电容倍压器，可提供约 30µA 到 50µA 的栅极负载电流。随着浮动电源电压的增加，源电流充电能力会下降，最终栅极电压会接近内部齐纳钳位设定的水平，以防止电压超过大多数常用 MOSFET 的安全栅极电压额定值（约 15V）。

5. 驱动电路

四个输出驱动器均由双极型高速 NPN 晶体管组成，用于向 MOSFET 开关提供和吸收栅极电荷。此外，吸收驱动器还包含一个并联连接的 N 沟道 MOSFET，可将功率开关栅源电压完全拉至 0V。在驱动 500pF 负载时，通过栅极驱动器子电路的传播延迟通常小于 10ns，且该设计几乎消除了所有栅极驱动器的直通现象，显著降低了 IC 的功耗。

三、应用考虑

1. 偏置电源设计

• 一般偏置电源设计：设计时需先确定开启功率开关所需的栅极电压。对于大多数功率 MOSFET，将栅源电压提高到 10V 以上对降低开关漏源电压降的作用不大。过度充电会导致开关关断延迟、MOSFET 开关损耗增加以及 HIP4080A 栅极驱动器的能量切换增加，还可能引发直通问题。推荐 (V{DD}) (v{CC}) 的值接近 12V，虽然 HIP4080A 最高可在 15V 下工作。
• 下偏置电源设计：由于大多数应用中上下功率开关使用相同的 MOSFET，因此驱动 MOSFET 栅极的偏置电源要求也相同。当下上 MOSFET 的开关频率不同时，需要分别进行计算。下偏置电源不仅要为下栅极驱动电路和逻辑电路供电，还要为上栅极驱动和逻辑电路供电。良好的布局和电容旁路技术可以避免偏置电源的瞬态电压下降，通常在 IC 附近放置一个 0.22µF 到 0.5µF 的低 ESR 陶瓷电容。同时，要尽量缩短 MOSFET 到 HIP4080A 的源极和栅极返回引线，以减少米勒反馈和电感。

2. 上偏置电源电路设计

• 无自举电路的情况：在某些情况下，HIP4080A 可以不使用自举电路。例如，在 MOSFET 开启速度较慢可以接受的应用中，如驱动继电器或灯负载，可考虑省略部分或全部自举组件。但没有自举二极管和/或电容会严重减慢栅极开启速度，此时栅极电流仅来自内部电荷泵。
• 自举电容的选择：如果使用的自举电容值约等于 MOSFET 的等效栅极电容，当栅极开启时，上偏置电源电压会下降约一半。自举电容越大，上 MOSFET 开启时自举电源电压的瞬时下降就越小。一般建议自举电容值约为驱动 MOSFET 等效栅极电容的 10 倍，以防止在 MOSFET 开启期间自举电源电压下降超过偏置电源电压的 10%。

3. 自举偏置电源电路设计

在高频应用中，所有自举组件（二极管和电容）都是必需的。需要熟悉自举电容的尺寸选择和自举二极管的正确选择。自举电容的大小与 MOSFET 开启时转移的栅极电荷、自举电容电压的变化有关。同时，还需要考虑自举二极管的反向恢复电荷和反向泄漏电流等因素。

四、功率耗散与热设计

1. 功率耗散模型

HIP4080A 的功率耗散可分为静态损耗和动态（开关）损耗。静态损耗是由于 IC 上下部分的偏置电流损耗，当 IC 不开关时，静态功耗约为 100mW。动态损耗主要包括低电压栅极驱动（电荷转移）、高压电平转换（V - I）损耗和高压电平转换（电荷转移）。其中，低电压栅极驱动电荷转移损耗较为显著，与 PWM（开关）频率、施加的偏置电压、等效栅源电容以及 HIP4080A 内部的少量 CMOS 栅极电荷有关。

2. 功率耗散测量

可以使用信号发生器、平均毫伏表和电压表轻松测量与 IC 和连接的 MOSFET 栅极相关的平均功率耗散。低电压功率耗散的测量需要使用特定电路，通过计算偏置电压和电流的乘积来得到。高电压功率耗散主要由高压电平转换组件组成，通过测量高压总线电压和平均高压总线电流的乘积来计算。

五、布局问题

在快速开关、高频系统中，PCB 布局至关重要。HIP4080A 的引脚配置便于紧密布局，将栅极驱动输出端子战略性地放置在芯片右侧，可提供较短的栅极和源极返回引线。为了最小化栅极驱动回路中的串联电感，可使用双面 PCB，将连接到 MOSFET 栅极的引线从 IC 上方穿过 MOSFET 源极返回 IC 的引线。同时，自举电路路径应尽量短，以减少串联电感，避免自举电容电压振荡。紧凑的功率电路布局可以减少相引线上的振铃，防止 BHS 和 AHS 电压过度低于 (V_{SS}) 端子，避免从基板过度提取电荷和 IC 可能的故障。

六、快速帮助表

为了帮助工程师解决在应用 HIP4080A 过程中可能遇到的问题，提供了快速帮助表。例如，芯片偏置电压过低可能导致功率 MOSFET 的 (R_{DSON}) 过大，甚至使 IC 无法正常工作；自举电容过小可能导致 MOSFET 开启时充电不足，而过大会需要增加死区时间以确保自举电容有足够的刷新时间。

通过以上对 HIP4080A 80V 高频 H 桥驱动器的详细介绍，相信大家对它的特性、应用和设计要点有了更深入的了解。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理选择和设计，以充分发挥其性能优势。你是否在使用类似的 H 桥驱动器时遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享交流。