PWM控制芯片的驱动能力及工作可靠性

MOSFET应用于不同的开关电源以及电力电子系统，除了部分的应用使用专门的驱动芯片、光耦驱动器或变压器驱动器，大量的应用通常使用PWM IC或其它控制芯片直接驱动。在论述功率MOSFET的开关损耗之前，先讨论一下控制芯片的驱动能力，因为控制芯片的驱动能力直接影响功率MOSFET的开关特性，开关损耗以及工作的可靠性。

1、控制芯片内部Totem图腾柱驱动器

在PWM控制芯片及其它电源控制器的内部，集成了用于驱动功率MOSFET的Totem图腾柱驱动器，最简单的图腾柱驱动器如图1所示，由一个NPN三极管和一个PNP三极管对管组成，有时候也会用一个N沟道MOSFET的一个P沟道MOSFET对管组成，工作原理相同。

（a） 图腾柱驱动器

（b） 图腾柱的等效电路

图1： 图腾柱驱动器及等效电路

图1（a）的图腾柱驱动器，当输入信号为高电平时上管导通，其输出为高电平，上管通过电源提供输出电流，通常称为Source电流（源电流），由于上管导通时有导通压降，在一定的电流下对应着一定的电阻，因此这个电阻通常称为上拉电阻Rup。

当图腾柱驱动器的输入信号为低电平时下管导通，将MOSFET的G极（栅极）拉到低电位，此时下管灌入电流，通常称为Sink电流（灌电流），下管导通时有导通压降，在一定的电流下对应着一定的电阻，因此这个电阻通常称为下拉电阻Rdown。

等效的简化电路如图1（b）所示，包括一个上拉电阻Rup和一个下拉电阻Rdown。在实际的应用中，不同的控制芯片内部图腾柱驱动器可能采用不同的形式，如图2所示。UC3842采用二个NPN三极管组成，L6561采用一个NPN三极管和一个N沟道的MOSFET组成。

（a） UC3842图腾柱驱动器

（b） L6561图腾柱驱动器

图2：控制芯片图腾柱驱动器结构

2、控制芯片图腾柱驱动能力

通常控制芯片的驱动能力用源电流或灌电流的大小来表示，那么在这里先提出一个问题：表征驱动能力的源电流或灌电流，到底是连续电流还是脉冲电流？

Intersil的驱动器EL7104

EL7104的数据表中标称的驱动能力为：Source 4A/Sink 4A，给出了在100mA测试条件下驱动器的上拉、下拉的电阻值（典型值和最大值），同时也给出了最小的连续驱动电流值200mA，因此可以得出：4A的驱动电流能力应该为脉冲电流值。后面的峰值电流和电源电压的关系图也说明了这一点。

EL7104的数据表容性负载的驱动特性：延时参数

IR的驱动器IR2110

IR2110数据表中的驱动能力：源电流和灌电流都为2A，测试条件为：Vo=15V，脉冲宽度《10us，后面还给出了驱动电流随温度、驱动电压的变化曲线，但是没有内部压降随驱动电流变化的数据。

TI的PWM控制器UC3842

UC3842分别给出了在20mA、200mA测试条件下驱动器的上拉、下拉的电阻上的压降，有典型值和最小值或最大值。后面的图表列出了在脉冲电流和连续电流条件下，输出电流和压降的关系，数据最全。

凌利尔特PWM控制器LTC3850/LT1619

LTC3850电流模式双路PWM控制器，给了驱动器的上拉、下拉的电阻值（典型值），没有列出测试的条件。

LT1619电流模式PWM控制器，分别给出了在20mA、200mA测试条件下驱动器的上拉、下拉的电阻上的压降，有典型值和最小值或最大值。

测试电流有20mA时，VRup=0.35V，Rup=17.5Ohm；VRdown=0.1V，Rdown =5Ohm。

测试电流有200mA时，VRup=1.2V，Rup=6Ohm；VRdown=0.5V，Rdown =2.5Ohm。

从计算的结果可以得到：测试的电流越大，压降也越大，但压降和电流并不是线性的关系，这也容易理解：因为上拉和下拉电阻是等效的驱动器上管和下管的导通压降，其电流和导通压降并不是线性关系。

安森美PFC控制器NCP1602/ NCP1608

NCP1602的驱动器，数据表中的驱动特性为：Source 500mA/Sink 800mA，测试的条件为200mA。

NCP1608的驱动器，数据表中的驱动特性为：Source 500mA/Sink 800mA，测试的条件为100mA。

二个芯片的测试条件不同，那么，NCP1608和NCP1602，哪一个的驱动能力更强呢？

3、理解控制的驱动能力

虽然许多驱动器给出了一定的容性负载条件下的上升、下降延时时间，在实际的应用中，MOSFET具有内部的栅极电阻或外部串联栅极电阻，同时MSOFET在开关过程中不完全是一个理想的电容，会经过米勒平台区域，因此，实际的延时时间将会产生非常大的差异，数据表中的延时值只具有相当有限的参考意义。

功率MOSFET在开关过程中，在米勒平台线性区，由于VGS保持不变，相当于使用恒流源进行驱动，其它的时间段，使用恒压源进行驱动。VGS电压变化时，和时间成指数关系改变。

在VGS电压和时间成指数关系变化的时间段，控制芯片驱动器的电流并不是恒流源，那么对应的上拉、下拉电阻也随着电流的变化而变化，上拉、下拉电阻不固定，就不容易计算相应的时间以及相应的开关损耗。很多文献使用数据表中推荐的上拉、下拉电阻的典型值来计算开关损耗，从上面的分析过程可以知道：不同的芯片、不同的公司，所用的测试条件并不相同，使用数据表中推荐的上拉、下拉电阻的典型值，并不满足实际应用的条件。

建议根据实际应用过程中米勒平台的驱动电流值，选择或计算出相应的上拉、下拉电阻值作为计算开关损耗的基准，使用典型值。因为在开关过程中米勒平台的时间占主导，使用这个基准所产生的误差并不大。然后再用比例系数校核在最大的上拉、下拉电阻值时最大的开关损耗，这样就可以知道开关损耗波动的范围，从而保证系统的效率和MOSFET的温升在设计要求的规范内。

许多公司新一代的芯片有时候并没有标出上述驱动器的参数，这是因为相比于上一代，为了降低成本，必须降低器件的硅片的面积。在PWM及电源控制器中，相关的数字逻辑、基准运放所占的硅片的面积为必须功能，流过它们的电流也比较小，因此减小硅片面积的空间不大。内部的图腾驱动器由于流过较大电流，要占用较大的硅片面积，这一部分对芯片的功能影响不明显，因此降低成本最直接的方法就是减小内部图腾驱动器的硅片面积，也就是降低驱动能力，这样导致上拉、下拉的电阻增加，相应的压降也会增加。

因此对于没有标出内部驱动器的驱动参数的芯片，使用时要根据外面驱动的功率MOSFET的特性校核开关过程，要特别小心，必要的时候，使用对管组成外部的图腾驱动器，以增强驱动的能力。