驅(qū)動器UCC27201上電時刻HO引腳誤脈沖的分析
摘要
在隔離DC/DC電源中經(jīng)常會使用到帶浮地功能的雙通道驅(qū)動器UCC27201。實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn),某些場景中,其HO引腳會在上電時刻產(chǎn)生誤脈沖。該誤脈沖導(dǎo)致系統(tǒng)有開機(jī)異常的風(fēng)險。本文通過實(shí)際仿真和電路原理分析,詳細(xì)介紹了誤脈沖產(chǎn)生的機(jī)理,隨后提供了兩個針對該誤脈沖的解決方案,并給予了詳細(xì)解釋。
1、隔離電源系統(tǒng)設(shè)計
某隔離電源系統(tǒng)完成DC/DC的轉(zhuǎn)換,采用全橋拓?fù)?,輸出電壓?/FONT>12V。其中,全橋的原邊側(cè)驅(qū)動器就采用了UCC27201,共計兩顆。
1.1隔離電源系統(tǒng)簡述
該隔離電源系統(tǒng)完成寬范圍輸入電壓(36V~72V)到12V的轉(zhuǎn)換,輸出功率350W。系統(tǒng)采用帶同步整流功能的硬開關(guān)全橋拓?fù)洌?/SPAN>HSFB)。圖1所示的是該系統(tǒng)的方框圖,包含有主控芯片LM5035,置于原邊側(cè)的驅(qū)動器UCC27201,置于副邊側(cè)的驅(qū)動器UCC27324和隔離器等器件。
圖1:隔離電源系統(tǒng)框圖
1.2UCC27201的應(yīng)用
UCC27201是帶有浮地功能的MOSFET驅(qū)動器,具有高端輸出和低端輸出兩個通道,可以應(yīng)用于BUCK,半橋和全橋等拓?fù)洹T撔酒_的描述如下:
●VDD(Pin1):供電引腳,范圍是8V~17V,典型值為12V;
●VSS(Pin7):芯片地引腳;
●HI,LI(Pin5,Pin6):高端驅(qū)動輸入和低端驅(qū)動輸入;
●HO,LO(Pin3,Pin8):高端驅(qū)動輸出和低端驅(qū)動輸出;
●HB,HS(pin2,pin4):浮地供電和浮地引腳,用于高端驅(qū)動供電;
如圖2,在本電源系統(tǒng)中,一顆UCC27201的兩路輸出驅(qū)動全橋同一側(cè)橋臂的兩個MOSFET,主要連接網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示如藍(lán)色字體。另一顆UCC27201的兩路輸出則是驅(qū)動全橋的另一側(cè)橋臂。
圖2:驅(qū)動器UCC27201的實(shí)際應(yīng)用
采用上述應(yīng)用電路的實(shí)際驅(qū)動信號見圖3,包括了軟啟動和正常運(yùn)行等兩個階段。
在軟啟動階段,標(biāo)示為Q1的MOSFET的驅(qū)動信號占空比遠(yuǎn)小于50%,而Q2的驅(qū)動信號占空比則是超過了50%,與Q1的驅(qū)動信號占空比保持為互補(bǔ)關(guān)系。Q3和Q4驅(qū)動信號的關(guān)系同上。
在正常運(yùn)行階段,Q1~Q4的驅(qū)動信號占空比全部都接近50%。相互之間的關(guān)系如圖3所示,即Q1和Q2保持互補(bǔ),Q3和Q4保持互補(bǔ)。
圖3:全橋驅(qū)動信號
2、UCC27201HO引腳的誤脈沖及根因分析
實(shí)際應(yīng)用中,由于不同的UCC27201的供電電壓設(shè)計有差異,當(dāng)其Cboot電容充電過快時,HO引腳會出現(xiàn)誤脈沖。該誤脈沖的根因是Cboot過快的上電電壓耦合到了HO引腳,同時過快的上電速率導(dǎo)致芯片內(nèi)部對HO管腳下拉的MOSFET不能及時導(dǎo)通,最終造成了HO引腳輸出誤脈沖。
2.1HO引腳的誤脈沖
實(shí)際測試上述電源系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn),開機(jī)時UCC27201的HO引腳有誤脈沖,如圖4(CH1為HO;CH4為HB與HS的差分電壓,亦即Cboot電容兩端的電壓;CH2為LO;CH3可忽略)。該誤脈沖幅度最大可超過7V,與LO交疊后會造成全橋高端MOSFET和低端MOSFET的共通,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)開機(jī)存在風(fēng)險。
圖4:HO引腳的誤脈沖
2.2HO引腳誤脈沖的根因分析
圖5所示的是UCC27201內(nèi)部與HO相關(guān)的電路。在HB與HS之間電壓正常建立后,邏輯電路會依據(jù)HI電平的高或低而打開Qa或Qb,從而實(shí)現(xiàn)HO高低電平的輸出。Qc是當(dāng)HB與HS之間電壓還處于欠壓階段時,用以導(dǎo)通以拉低HO引腳,確保在該階段HO無輸出。
圖5:HO相關(guān)的內(nèi)部電路
當(dāng)HB與HS間電壓還處于欠壓階段時,內(nèi)部電路會產(chǎn)生高電平驅(qū)動信號以導(dǎo)通Qc。但是,該高電平驅(qū)動信號的產(chǎn)生存在一定的延時;同時,Qc設(shè)計用來被脈沖信號觸發(fā),而非電平信號觸發(fā)。上述兩個因素就造成,當(dāng)HB與HS間電壓上升過快時Qc將不能及時導(dǎo)通。此時,如果HO被HB與HS間電壓耦合出高電平后(其中一個耦合途徑是通過Qa和Qb的結(jié)電容),因Qc還未導(dǎo)通,該耦合出的高電平將得以輸出,最終形成了HO的誤脈沖。
如果HB與HS間電壓上升速率變緩,或者HB與HS間電壓先得以預(yù)建立,Qc的驅(qū)動信號(圖6中的藍(lán)色線和紅色線)的高電平脈沖將會變寬,這就能保證Qc導(dǎo)通,誤脈沖就會被消除。
下文就圍繞HB與HS間電壓的上升斜率和預(yù)建立這兩個方向來討論,以解決HO的誤脈沖問題。
圖6:HB與HS電壓斜率不同的影響
3、解決措施之增大Cboot電容
在相同充電速率條件下,增大Cboot電容可以將HB與HS之間的電壓上升斜率變緩,以得到足夠?qū)挼母唠娖叫盘柌⑹?/FONT>Qc導(dǎo)通。
3.1Cboot充電過程分析
如圖7所示,UCC27201內(nèi)部有二極管(D1)連接Pin1(VDD)和Pin2(HB)。在Pin1的外部連接有供電網(wǎng)絡(luò)(電壓為12V),電容Cd(1uF)和串聯(lián)電阻Ri(10ohm);在Pin2則接有Cboot電容。Cboot電容的充電主要是通過D1這條路徑完成的。
經(jīng)過仿真分析(如圖8)知,Cboot的充電主要包含如下兩個階段:
●階段一:電容Cd通過D1給Cboot充電。充電電流如圖8中的紅色線所示,先是急劇上升到最大,然后緩慢下降。同時,電容Cd的電壓(綠色線)逐漸下降,電容Cboot的電壓(粉色線)逐漸上升。當(dāng)Cd與Cboot的壓差減小為約0.65V(二極管D1的正向?qū)▔航担r,第一階段結(jié)束。
●階段二:12V供電電壓給Cd和Cboot充電。受限于Ri,充電電流將小于1.2A(12V/10ohm)。
圖8中的仿真結(jié)果是基于Cboot為300nF,圖9的仿真結(jié)果則是基于Cboot為100nF。對比二者知,修改Cboot電容容量所帶來的主要影響是第一個充電階段的持續(xù)時間,分別約為280ns和120ns。下節(jié)會分析第一階段持續(xù)時間不同可能會帶來的風(fēng)險。
圖10給出的是實(shí)測波形,其中CH1是LO的波形;CH2是HB-HS的波形;CH3是HO的波形,CH4是VDD的電壓波形??梢钥吹?,在UCC27201上電后,VDD電壓快速下降,然后又緩慢上升,這與仿真結(jié)果一致。
圖7:Cboot電容充電電路圖8:Cboot為300nF時的仿真結(jié)果
圖9:Cboot為100nF時的仿真結(jié)果圖10:充電過程的實(shí)測波形
3.2增大Cboot電容的風(fēng)險分析
在UCC27201的實(shí)際應(yīng)用中,需要注意內(nèi)部二極管D1的反向恢復(fù)應(yīng)力。
當(dāng)LO的輸出由高變低后,HS電壓會升高,HB電壓同樣也會升高,此時內(nèi)部二極管將承受反壓,并承受隨后出現(xiàn)的反向恢復(fù)應(yīng)力。如果反向恢復(fù)應(yīng)力出現(xiàn)之前時刻的二極管正向?qū)娏鞒鲱~定范圍,反向恢復(fù)應(yīng)力則會過大而導(dǎo)致二極管失效。UCC27201要求內(nèi)部二極管承受反向恢復(fù)應(yīng)力前的正向?qū)娏髟?/FONT>2A以下。
在該電源系統(tǒng)中,將Cboot修改為300nF后,二極管正向電流在約280ns后降低到2A。而在開機(jī)的第一個周期內(nèi),下管的持續(xù)時間超過了3us(如圖11,CH1和CH2是全橋兩個下管的驅(qū)動信號),即3us之后內(nèi)部二極管才會有反向恢復(fù)應(yīng)力,由于此時正向?qū)娏饕呀?jīng)遠(yuǎn)低于2A,二極管無可靠性風(fēng)險。因此,修改Cboot容值到300nF后二極管不會有失效風(fēng)險。
圖11:開機(jī)時刻全橋下管的驅(qū)動波形
4、解決措施之Cboot電容預(yù)充電
給Cboot電容預(yù)充電,可以提前產(chǎn)生驅(qū)動信號以確保內(nèi)部Qc導(dǎo)通。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)波后,LO變高會產(chǎn)生充電路徑而使Cboot快速充電,但由于此時內(nèi)部Qc已經(jīng)導(dǎo)通,HO將不會產(chǎn)生誤脈沖。
4.1預(yù)充電電路
如圖12所示,增加一顆電阻RL后即可形成預(yù)充電電路。當(dāng)UCC27201的12V建立后,在系統(tǒng)未發(fā)波前,12V電壓可以通過路徑Ri->D1->Cboot->RL給Cboot充電。
經(jīng)仿真知,當(dāng)對Cboot電容預(yù)充電至1V左右,內(nèi)部Qc就會導(dǎo)通。于是,隨后的快速充電將不會再在HO引腳產(chǎn)生誤脈沖。根據(jù)12V建立到系統(tǒng)發(fā)波之間的延時時間,可以計算合適的RL值,以保證Cboot預(yù)充電至1V以上。
圖12:Cboot電容的預(yù)充電電路
4.2新增電阻的阻值計算
假設(shè)延時時間為1ms,根據(jù)如下RC充電公式,可知RL約為114Kohm。
12Vx[1–exp(-1ms/RL*Cboot)]=1.0V
考慮到系統(tǒng)正常運(yùn)行后,全橋上管導(dǎo)通時,電阻RL存在一定的損耗。最惡劣條件下(高壓輸入)的損耗計算如下:0.5x(72V*72V)/100K=0.026W
綜上可知,實(shí)際應(yīng)用中,可以選取阻值為114K,封裝為0603以上的電阻,只要延時時間不少于1ms,就可以確保HO引腳無誤脈沖輸出。
5、總結(jié)
在UCC27201的實(shí)際使用中,如果Cboot電容充電速率過快,則會在HO引腳產(chǎn)生誤脈沖。通過對誤脈沖產(chǎn)生機(jī)理的分析可知,通過增大Cboot電容的容量或者在HS引腳增加一顆連接到地的電阻,都可以有效的解決該問題,而且上述兩個方法都不會對系統(tǒng)帶來額外的可靠性風(fēng)險。
但需要注意的是,在采用上述兩種方案前都需要仔細(xì)評估,以確定當(dāng)前應(yīng)用條件下,上述方案不會帶來風(fēng)險??梢匝?FONT face=Arial>TI工程師共同參與該評估過程。
6、參考資料
1.UCC27201datasheet,TexasInstrumentsInc.,2008
2.LM5035datasheet,TexasInstrumentsInc.,2013
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