Onsemi FAN3111C/E：高性能单通道1A低边栅极驱动器

在电子工程师的日常工作中，栅极驱动器是设计开关电源、电机控制等电路时常用的关键器件。今天给大家详细介绍Onsemi的FAN3111C和FAN3111E单通道1A高速低边栅极驱动器，相信会给大家在实际项目设计中带来一些新的思路。

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一、产品概述

FAN3111系列专为低边开关应用中驱动N沟道增强型MOSFET而设计。它提供了两种输入选项：FAN3111C具有双CMOS输入，其阈值参考 $V{DD}$，适用于与驱动器使用相同电源电压的PWM控制器和其他输入信号源；FAN3111E则有一个单路、非反相的低压输入，外加一个 $V{XREF}$ 直流输入，用于接收2 - 5V的外部参考电压，适合与电源电压低于驱动器的低压控制器和其他输入信号源配合使用。该驱动器采用行业标准的无铅5引脚SOT23封装。

二、产品特性

2.1 强大的驱动能力

• 在 $V{DD}=12V$ 时，具有1.4A的峰值灌/拉电流；在 $V{OUT}=6V$ 时，灌电流为1.1A，拉电流为0.9A，能够为MOSFET提供充足的驱动电流，确保其快速、稳定地开关。

  2.2 宽工作电压范围

  可在4.5 - 18V的电源电压下正常工作，这使得它在不同的电源系统中都能灵活应用。

  2.3 兼容多种输入源

• FAN3111C的双CMOS输入，既可以配置为非反相模式，也可以配置为反相模式，还具备使能功能。
• FAN3111E的单路非反相低压输入则方便与低压控制器搭配使用。

  2.4 小尺寸封装

  采用5引脚SOT23封装，尺寸小巧，有利于为并行功率设备设计分布式驱动器，同时该封装的工作温度范围为 -40°C至125°C，能适应较为恶劣的工作环境。

  2.5 快速的开关速度

  典型延迟时间为15ns，带470pF负载时，典型上升时间为9ns，典型下降时间为8ns，能够有效减少开关损耗，提高系统的效率。

三、产品应用

FAN3111广泛应用于多个领域，包括但不限于：

3.1 开关电源

在开关模式电源中，它可以驱动MOSFET进行高效的电压转换，提高电源的效率和稳定性。

3.2 同步整流电路

帮助实现同步整流功能，降低整流损耗，提升电路性能。

3.3 脉冲变压器驱动

提供足够的驱动能力来驱动脉冲变压器。

3.4 逻辑到功率缓冲

在逻辑电路和功率电路之间起到缓冲作用，确保信号的可靠传输。

3.5 电机控制

用于驱动电机控制电路中的MOSFET，实现精确的电机调速和控制。

四、电气特性

4.1 电源特性

• 工作电压范围为4.5 - 18V，静态电源电流在输入未连接时典型值为5μA，最大值为10μA，功耗较低。

  4.2 输入特性

• FAN3111C：逻辑低电压阈值为 $V{DD}$ 的30% - 38%，逻辑高电压阈值为 $V{DD}$ 的55% - 70%，具有约17% $V_{DD}$ 的输入迟滞电压。
• FAN3111E：逻辑低电压阈值为 $V{XREF}$ 的25% - 30%，逻辑高电压阈值为 $V{XREF}$ 的50% - 60%，具有约20% $V_{XREF}$ 的输入迟滞电压。

  4.3 输出特性

• 半电压灌电流为1.1A，半电压拉电流为 - 0.9A，峰值灌/拉电流为1.4A。
• 带470pF负载时，输出上升时间典型值为9ns，最大值为18ns；输出下降时间典型值为8ns，最大值为17ns；输出传输延迟典型值为15ns，最大值为30ns。
• 输出反向电流承受能力为250mA。

五、应用设计要点

5.1 输入阈值设置

• FAN3111C的逻辑输入阈值取决于 $V{DD}$ 电平，当 $V{DD}$ 为12V时，逻辑上升沿阈值约为 $V{DD}$ 的55%，下降沿阈值约为 $V{DD}$ 的38%。在设计时，要确保输入信号能够满足这些阈值要求，同时利用其约17% $V_{DD}$ 的迟滞电压，防止噪声干扰。
• FAN3111E的输入阈值取决于 $V{XREF}$ 电压，通常选择2 - 5V，逻辑上升沿阈值约为 $V{XREF}$ 的50%，下降沿阈值约为 $V{XREF}$ 的30%，具有约20% $V{XREF}$ 的迟滞电压，可通过连接 $XREF$ 引脚到逻辑电路的同一电源来实现与TTL等逻辑电平的兼容。

  5.2 启动操作

  在启动过程中，当 $V{DD}$ 从0V上升到约2V时，内部电阻会将输出引脚 $OUT$ 拉低，无论输入引脚状态如何。当 $V{DD}$ 达到约2V，内部电路开始工作，输出才会根据输入状态变化。在设计时，需要考虑这一特性对整个系统启动过程的影响。

  5.3 MillerDrive门驱动技术

  FAN3111采用了MillerDrive架构，结合了双极型和MOS器件，能够在宽范围的电源电压和温度变化下提供大电流。在MOSFET开关过程中的米勒平台区域，该架构可以提供最大电流，加快开关速度。对于零电压开关应用，即使没有米勒平台，驱动器也能提供高峰值电流实现快速开关。不过，输出引脚的压摆率由 $V_{DD}$ 电压和负载决定，若需要较慢的上升或下降时间，可以在MOSFET栅极添加串联电阻。

  5.4 $V_{DD}$ 旁路电容选择

  为了使驱动器能够快速开启功率器件，需要在 $V{DD}$ 和GND引脚之间连接一个低ESR和ESL的高频旁路电容 $C{BYP}$，且布线尽量短。一般选择 $C{BYP}$ 的值应使 $V{DD}$ 电源上的纹波电压保持在 ±5%，通常其值应大于等于等效负载电容 $C{EQV}$（$C{EQV}=Q{gate}/V{DD}$）的20倍。常用的陶瓷电容值为0.1 - 1μF，电容介质可选X5R和X7R等具有良好温度特性和高脉冲电流能力的类型。如果电路噪声影响正常工作，可以增大 $C{BYP}$ 的值至 $C{EQV}$ 的50 - 100倍，或者将 $C{BYP}$ 分成两个电容，一个基于等效负载电容选择较大值，另一个选择1 - 10nF的较小值并靠近 $V{DD}$ 和GND引脚，以处理电流脉冲的高频分量。

  5.5 布局和连接准则

• 要将高电流输出和功率地路径与逻辑输入信号和信号地路径分开，特别是在处理TTL电平逻辑阈值时，这一点尤为关键。
• 尽量将驱动器靠近负载放置，以减少高电流走线的长度，降低串联电感，改善高速开关性能，并减少可能辐射到驱动器输入和周围其他电路的EMI环路面积。
• 高速功率电路容易受到自身输出或外部噪声的影响，可能导致输出重触发。因此，所有引脚的连接应尽可能短而直接，同时要最小化开关导通和关断的电流路径。

六、热设计考虑

在高频开关MOSFET和IGBT的应用中，栅极驱动器会消耗大量功率。为确保器件在可接受的温度范围内工作，需要计算驱动器的功率损耗和结温。

6.1 总功率损耗计算

驱动器的总功率损耗 $P_{TOTAL}$ 由三部分组成：

• 栅极驱动损耗：$P{GATE}=Q{G} cdot V{GS} cdot f{SW}$，其中 $Q{G}$ 是栅极电荷，$V{GS}$ 是栅源电压，$f_{SW}$ 是开关频率。
• 动态预驱动/直通电流损耗：$P{DYNAMIC}=I{DYNAMIC} cdot V{DD}$，可根据典型性能特性图中的曲线来确定实际工作条件下从 $V{DD}$ 吸取的电流 $I_{DYNAMIC}$。
• 总功率损耗公式为 $P{TOTAL}=P{GATE}+P_{DYNAMIC}$。

  6.2 结温计算

  确定驱动器的功率损耗后，可通过热方程 $T{J}=P{TOTAL} cdot theta{JB}+T{B}$ 计算驱动器结温相对于器件引脚的温升，其中 $T{J}$ 是驱动器结温，$theta{JL}$ 是结到引脚的热阻，$T{L}$ 是应用中器件引脚的温度。驱动器封装内的功率损耗 $P{PKG}$ 可通过公式 $P{PKG}=P{TOTAL}left(frac{R{OUT,DRIVER}}{R{OUT,DRIVER}+R{EXT}+R{GATE,FET}}right)$ 估算，其中 $R{OUT,DRIVER}$ 是从 $I{OUT}$ 与 $V{OUT}$ 波形得出的驱动器阻抗估算值，$R{EXT}$ 是驱动器输出与MOSFET栅极之间连接的外部串联电阻，$R_{GATE,FET}$ 是负载MOSFET栅源连接内部的电阻。

七、总结

总的来说，Onsemi的FAN3111C和FAN3111E栅极驱动器以其高性能、小尺寸和灵活的输入配置，为电子工程师在低边开关应用设计中提供了一个优秀的选择。在实际使用中，我们需要根据具体的应用场景和需求，合理设置输入阈值、选择旁路电容、优化布局布线以及进行热设计，以充分发挥该驱动器的性能优势。大家在使用过程中遇到过哪些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。