采用小尺寸封裝的EiceDRIVERTM 2EDN雙通道低邊柵極驅動IC可助力實現超高功率密度設計，同時提高可靠性和性能
文：英飛凌科技資深系統應用工程師Antonello Laneve，首席產品應用工程師Walter Balzarotti和隔離型IC技術營銷主管Diogo Varajao博士
校對：英飛凌科技高級主任工程師 陳杰
為了給諸如人工智能、計算機視覺和機器學習等新興應用中使用的GPU和CPU供電，數據中心和計算系統的整體功率水平日益提高。因此，要滿足與日俱增的功率密度和效率要求，不僅需要對功率開關技術（如GaN和SiC）和新的拓撲結構進行創新，而且需要進一步優化柵極驅動IC。功率半導體的工作頻率從數百kHz到MHz不等，再加上快速開關瞬態，這對柵極驅動電路提出了新的挑戰，它必須確保在這些關鍵型基礎設施應用中實現安全可靠的運行。因此，柵極驅動IC在保護系統，確保系統穩健運行的同時，還要為提高處理功率起到關鍵作用。為了支持實現這一點，英飛凌不久前推出了具有5A源/漏輸出電流能力的新一代雙通道低邊柵極驅動IC。現在，EiceDRIVERTM 2EDN產品系列進一步壯大，增加了采用小型引線框架SOT23 (2.9 x 2.8 mm) 6引腳封裝和超小型無引線TSNP (1.5 x 1.1 mm) 6引腳封裝的產品。這些新封裝型號有助于實現靈活布局、縮小占板空間并進一步優化柵極驅動環路，以便為高功率密度應用提供更出色的開關性能。圖1以行業標準SMD電阻器為參考，直觀地展示了采用超小型TSNP封裝的全新EiceDRIVERTM 2EDN7534U的尺寸，如圖所示，其占板空間與0603電阻器差不多。
圖1：占板空間對比：采用TSNP 封裝的EiceDRIVERTM 2EDN7534U 較之于SMD電阻器
除提供多個封裝選項之外，新的EiceDRIVERTM 2EDN產品系列還具備一個經優化的輸出級，可實現驅動電壓有源箝位、更短欠壓鎖定（UVLO）啟動時間和更低電流消耗。不僅如此，高精度傳播延遲允許兩路并行輸出，可將電流能力提高至兩倍，并最大限度地減少死區時間損耗，從而達到很高系統效率。圖2（右圖）顯示了一個通過實現兩路并行輸出獲益匪淺的應用示例：混合開關電容轉換器(HSC)中的同步整流級通常在沒有柵極電阻器的情況下運行，以實現最快開關瞬態。使用EiceDRIVERTM 2EDNxx3x產品的另一個應用示例是服務器SMPS中典型的中心抽頭整流器，如圖2所示。全新EiceDRIVERTM 2EDN7534B采用SOT23封裝，其性能與其他采用行業標準封裝（DSO和TSSOP）的產品一樣，但占用的PCB面積更小，這一點在空間受限的設計中尤為重要。
圖2a：CT整流器
圖2b：HSC拓撲中的SR
圖2a和2b：全新EiceDRIVER™ 2EDN7534產品的應用示例
產品系列概況
EiceDRIVERTM 2EDNxx3x產品系列可提供5種不同封裝：3種工業級標準的8引腳封裝DSO (SOIC)、TSSOP和WSON，以及專為超高功率密度應用設計的小型6引腳封裝SOT23和TSNP。每種封裝類型都可提供不同的峰值電流能力、正向輸入和反向輸入以及專門的欠壓鎖定電平，以滿足不同目標應用的要求。表1概括列出了可提供的產品和特性。
表1：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x產品系列概覽表
輸出電壓有源箝位
啟動過程中，VDD引腳上的驅動器偏置電壓必然上升，如果柵極驅動IC實現了調制方案，那么，UVLO保護功能的目的是防止MOSFET以線性模式運行。然而，在通用柵極驅動IC中，UVLO輸出箝位通常是利用無源箝位電阻來實現的（圖3左圖），因此，UVLO激活時間較長，在諸如微控制器(MCU)和柵極驅動器由不同電源供電等情況下，這可能導致輸出在被主動驅動為低電平之前，出現多個有害的VGS脈沖。
事實上，電阻型無源箝位的激活時間取決于驅動器內部的RC時間常數，即數量級為幾µs。在這段較長的激活時間內，輸出通常不能正確地箝位到低電平， MOSFET可能會工作在線性區。
圖3a：通用RC型無源箝位
圖3b：新一代EiceDRIVERTM 2EDN
圖3a和3b：通用RC型無源箝位（上圖）較之于新一代EiceDRIVERTM 2EDN中實現的輸出電壓有源箝位機制（下圖）
為了克服這個問題，全新EiceDRIVERTM 2EDN通過引入快速可靠的輸出電壓有源箝位機制，優化了輸出級，如圖3右圖所示。有源箝位機制可檢測輸出引腳上的電壓，并使VGS保持在安全的低電壓狀態，直到UVLO解除。所以，驅動器能夠在驅動器VDD電壓啟動過程中做出更快的反應，從而防止在向功率開關柵極施加低VGS柵極電壓時發生MOSFET開關動作。
圖4所示為EiceDRIVERTM 2EDN輸出電壓有源箝位性能報告。驅動器VDD電源電壓一經達到1.2V，輸出電壓有源箝位機制就會被激活，OUT引腳會在大約20ns激活時間內被主動下拉至安全關斷電平。其反應速度比無源箝位機制的RC時間常數快得多，后者可能需要數十微秒甚或更長時間。
圖4a：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x輸出電壓有源箝位
圖4b：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x輸出電壓有源箝位
圖4a和4b：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x輸出電壓有源箝位
圖5將輸出電壓有源箝位(EiceDRIVERTM 2EDNxx3x)的輸出波形與市場上的類似器件在弱上拉條件下的無源箝位輸出波形進行了對比。如圖所示，EiceDRIVERTM 2EDNxx3x性能更加可靠，在VDD啟動期間使OUT電壓保持在安全的低電平。
圖5a：無源箝位電阻
圖5b：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x有源箝位
圖5a和5b：弱上拉條件下OUT引腳無源箝位和有源箝位
輸出電壓有源箝位機制還可防止當開關節點處于高dV/dt瞬態時，流經米勒電容Cgd的位移電流導致電壓耦合到VGS，從而造成MOSFET重新導通。在這種情況下，EiceDRIVERTM 2EDNxx3x的輸出級檢測到快速電壓瞬態，并快速激活有源箝位機制，以在VDD低于UVLO閾值時將柵極保持在安全關斷狀態。圖6對這兩種不同的箝位機制進行了對比。
圖6a：無源箝位電阻
圖6b：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x有源箝位
圖6a和6b：高dV/dt瞬態時的無源箝位和有源箝位
在上述所有考慮事項的條件下，快速輸出電壓有源箝位機制可以在短時間內使OUTPUT引腳保持在安全的低電壓狀態，而不會讓開關柵極暴露于意外的感應噪聲和潛在的有害的線性模式運行。
欠壓鎖定啟動時間和靜態電流消耗
在系統啟動過程中，或從欠壓狀態恢復時，驅動器從UVLO狀態恢復所需時間tSTART至關重要。事實上，當系統從UVLO狀態恢復時，MCU和柵極驅動IC有不同的電源，MCU會在UVLO解除之前向驅動器發送PWM脈沖。在這種情況下，在驅動器電源電壓升至高于閾值（UVLOON）之前，可能會部分或完全丟失幾個脈沖。
丟失PWM脈沖可能導致開關不同位置的導通時間不對稱，造成電路參數不對稱，在最壞情況下還會造成磁性器件磁飽和并產生有害的浪涌電流。UVLO解除時間（tSTART）越長，丟失PWM脈沖數量越多，不對稱性越嚴重。正因如此，輸出電壓有源箝位機制必須快速準確地做出反應。
市場上大多數柵極驅動IC的UVLO啟動時間為5µs或更長。全新EiceDRIVERTM 2EDN柵極驅動IC的UVLO啟動時間(tSTART)為1.8µs（典型值），因此，在解除UVLO時僅丟失最少數量PWM脈沖，從而實現安全的轉換器啟動和可靠運行。圖7所示為UVLO恢復過程中的tSTART實測數據。
圖7a：PWM輸入
圖7b：PWM輸出
圖7a和7b：EiceDRIVERTM 2EDNxx3x在UVLO恢復過程中的PWM輸入和驅動器輸出
與市場上的類似IC相比，新EiceDRIVERTM 2EDN系列提供了所有所述的改進功能，同時保持較低的靜態電流，如圖8所示。這有助于降低待機狀態下的整體靜態電流消耗，以防在未施加PWM信號的情況下啟用驅動器。
圖8：EiceDRIVERTM 2EDN靜態電流與其他廠商產品對比
為雙通道低邊驅動器尺寸樹立新標桿
EiceDRIVERTM 2EDN可提供所有工業級的8引腳封裝：DSO (SOIC)、TSSOP和無引線WSON。為了助力提高功率密度，英飛凌推出了非常緊湊的6引腳封裝SOT23和TSNP，在某些應用中將兩個未使用的ENABLE引腳移除（通過內部上拉連接到VDD）或直接短接到VDD。較之于DSO封裝，新的SOT23封裝可以節省73%的PCB面積，而TSNP封裝則比WSON封裝節省81%的空間，如下圖所示。
圖9：新的SOT23封裝和TSNP封裝與行業標準封裝的尺寸對比
特別是在高功率密度應用中，柵極驅動IC整體尺寸大幅縮小有利于優化電路板布線，減小總的占板空間，并且允許將柵極驅動IC放置在最佳位置，以最大限度地減小柵極驅動環路。例如，憑借內部高精度計時器，可以將采用TSNP 封裝的EiceDRIVER™ 2EDN7534U配置為雙通道并聯驅動一個OptiMOS™，使其驅動能力提升至2倍。將IC直接放置在OptiMOS™的柵極引腳旁邊，最大限度地減少柵極信號振鈴。
全新2EDN小型封裝帶來的好處
得益于封裝尺寸縮小，2EDN柵極驅動IC非常適于驅動低邊MOSFET。事實上，兩個輸出級可以重復用于驅動高頻變壓器并提供數百毫瓦功率，以滿足大多數隔離型偏置電源的要求，為浮柵驅動器的輸出級供電。
圖10所示為采用SOT23封裝的EiceDRIVERTM 2EDN7533B用于產生兩個隔離的正壓和負壓電源的電路布線示例。兩個輸出OUTA和OUTB配置為全橋逆變器，以驅動具有低繞組間電容的緊湊型高頻變壓器(XT04)。隔離型柵極驅動IC和偏置電源板(KIT_1EDB_AUX_SiC)尺寸僅為8.5mm x 17.5mm，因而適合放置在高密度高壓功率級中。它可以提供高達1.5W的平均輸出功率，同時保持良好的負載調節。可以獲得不同的輸出正壓和負壓電源軌，以匹配不同的SiC MOSFET。通過適當調整電路，可以從10V輸入單極電源軌獲得+18V/-1V、+18V/-5V、+15V/-4V和+20V/-3V。可以采用KIT_1EDB_AUX_GaN示范的方法，將EiceDRIVERTM 1EDN用于GaN HEMT器件。這個評估板還包括一個可選電路，可使用TL432并聯穩壓器實現1%電壓調節。
KIT_1EDB_AUX_SiC評估板的橫截面（圖11）經專門設計，可以焊接到DSO-8單通道隔離型柵極驅動IC（如EiceDRIVERTM 1EDB6275F）的封裝上，并像在子母板中那樣用于取代現有的無隔離電源的DSO8驅動器。
圖10：為SiC MOSFET提供可配置浮動雙極偏置電源的隔離型柵極驅動IC (KIT_1EDB_AUX_SiC)
圖11：KIT_1EDB_AUX_SiC，可兼容EiceDRIVERTM 1EDBxxxxF封裝
總結
總的來說，本文介紹了英飛凌EiceDRIVERTM 2EDNxx3x雙通道低邊柵極驅動IC的優點和優化特性。創新特性包括快速輸出電壓有源箝位和更短欠壓鎖定啟動時間，這提高了整體系統的穩健性和可靠性。
最重要的是，新一代EiceDRIVERTM 2EDN產品采用了兩種新型6引腳封裝： SOT23和無引線TSNP，為市場上的封裝尺寸樹立了新的標桿。這些新型封裝有助于創新48V DC-DC中間總線轉換器（IBC）拓撲在高性能計算系統中實現超高功率密度設計，而不會影響標準2EDN產品的高性能。
總之，EiceDRIVERTM 2EDN產品搭配英飛凌MOSFET，可以助推高功率應用實現更高功率密度，同時保持設計靈活性以及帶獨立柵極驅動器和開關的分立式解決方案的可擴展性。 |
