【应用】电力传输系统中的自举元件选择和PCB布局

时间： 2019-02-02 来源：Silicon Labs

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SILICON LABS ISO驱动器是结合了低延迟、高驱动强度的栅极驱动电路和片上隔离的隔离栅极驱动器——Si823x。

为了实现可靠和安全的操作，AC-DC和隔离式DC-DC开关模式电源（SMPS），不间断电源（UPS），太阳能逆变器和电子照明镇流器的设计人员不仅必须依赖于正确选择的高侧/低侧栅极驱动器IC，还有外部自举电路及其PCB布局。

当高侧开关的漏极电压高于ISO驱动器的VDDA电源时，ISO驱动器高端驱动通道需要自举电路。

自举电容CB（如图1所示）在低侧驱动器激活时充电，然后在激活时向高侧驱动器提供驱动器偏置。自举器看起来像一个简单的低成本电路，仅由二极管D1和电容器CB（有时是电阻器RB）组成。但在这个简陋的外观下隐藏着潜在的设计挑战。本应用笔记讨论了高端自举电路的操作和设计，并介绍了自举设计的方法。

图1 具有高端自举电路的ISO驱动器

1 自举操作

自举操作（如下所示）是简单的：CB在低侧驱动期间充电，其中Q2开启且Q1关闭。在此期间，充电电流从VDD流入ISOdriver VDDA输入，并通过充电回路从自举电阻RB通过二极管D1，CB和Q2流向地。在低侧驱动周期结束时，Q2关闭，Q1导通，导致Q1源极电压迅速上升至漏极电压。此操作反向偏置自举二极管D1，断开CB的基于地的VDD电源。

由于CB的低侧参考MOSFET源极（GNDA），因此通过OUTA引脚在Q1源极和栅极之间保持VDD-0.7 V的高侧偏置电压。从这一点到高侧驱动周期结束，CB提供维持高侧驱动器操作所需的所有电流。

图2 自举电路-CB充电

图3 自举电路-CB源

下图显示了典型的CB波纹。CB充电周期的结束紧接着高的负dV/dt作为CB源栅极充电到Q1。QG被转移后，CB上的电压随着电流源于VDDA输入而下降，以保持OUTA处于高电平状态。注意，VCB的实际值和最大值之间的差异是由于RB和D1的下降，并且CB纹波幅值是QG、VDD电流和CB值的函数。此外，RB通常用于低频系统中以限制峰值电流，并且很少在100kHz以上的系统中使用。

图4 典型的CB纹波周期

1.1 自举设计

虽然它是一个简单的电路，但如果没有正确设计，自举可能是有问题的。特别地，必须注意确保低CB纹波，以避免触发驱动器的欠压锁定，从而停止转换器的运行；此外，刷新周期必须足以对CB进行完全充电。高侧自举电路的固有局限性是充分刷新CB所需的时间。一些功率拓扑可能具有过高的占空比或频率以支持刷新，或者它们可能具有导致负载与充电路径串联的高侧电路。对于这些应用，可能需要电荷泵（而不是高端自举）。

典型的自举设计流程首先决定CB在高侧驱动循环（QCB）期间必须传递的总电荷。在已知QCB的情况下，基于允许的纹波幅值计算CB值，并在最坏情况下验证刷新是否充分。下图显示了自举电路的等效电路，其中自举二极管D1被建模为具有VT阈值电压的理想开关。此外，高侧驱动器具有代表ISO驱动器VDDA输入电流要求的电流源。其它漏电流，如二极管反向漏泄和晶体管栅极漏泄，与VDDA偏置电流相比微不足道的。注意，在下面的图中，D被定义为在高侧（有源）开关处的占空比，而不是低侧（无源）开关处的占空比。

图5 自举等效电路

1.2 设计实例

•高侧MOSFET QG＝85 nC，VGS＝10 V，tR＝35 ns

•二极管D1 VF＝0.7 V

•VDDA输入=3 mA时12 V（ISOdriver的高侧VDD输入）

•FPWM＝200 kHz，D＝10%～90%

•ISOdriver UVLO阈值= 9.0 V（下降）

设计从计算CB在最大占空比时必须提供的总电荷（QCB）开始。该电荷有两个主要组成部分：VDDA电源偏置电流IB和Q1栅极电荷QG。其他的泄漏源，相比之下可以忽略不计，并假设为零。

QCB使用公式1计算(tCYC是图5上的自举等效电路中所示的周期)，并替换上述给定列表中的值：

（1）

根据等式1，在高侧驱动循环期间，CB必须提供总共98.5纳库仑的电荷，并且CB的值由最大允许纹波(ΔVCB)驱动，并且使用方程2计算。在这个设计中，ΔVCB选用了5%的VDD。

（2）

对于已知的CB值，现在可以使用等式3针对峰值CB电荷计算自举电阻器RB的值(如前所述，RB通常不用于工作在相对高频率运行的系统中)：

（3）

在这个设计中，99 nC电荷必须在最小的低侧时间tL（MIN）内转移到CB中。方程4计算满足这个标准所需的电流：

（4）

由式4可知，需要最大平均电流为197mA，以在最大占空比时间内完全刷新CB。二极管D1的平均电流可用公式5计算：

（5）

自举二极管D1的额定电压必须足够高，以阻挡高侧MOSFET漏极电压和大于或等于等式5中计算的最大平均电流的额定电流(IF)。它还必须具有足够快的反向恢复时间，以避免瞬间将电流从高压漏极电源供应到低压VDD电源。此外，该系统的操作温度可能要求D1在高温下具有低的反向泄漏。

2 布局的考虑

好的布局在高端自举设计中是很重要的。CB应尽可能靠近驱动器IC引脚。钽或陶瓷电容器(最好是陶瓷)可用于CB，因为它们提供低泄漏和低ESR。如果CB使用电解电容，建议在电解电容的同时增加一个小的、低ESR去耦电容，如下图所示。

图6 自举设计布局指南

3 结论

适当注意自举元件选择和PCB布局是确保可靠、高性能隔离栅极驱动电路的关键。

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