如何提升數(shù)字控制電源性能？MOSFET驅(qū)動(dòng)器有辦法

UCD9110或UCD9501等新上市的數(shù)字電源控制器需要具備新型的智能型集成MOSFET驅(qū)動(dòng)器的支持。電源設(shè)計(jì)人員仍然對(duì)數(shù)字電源控制技術(shù)心存疑慮。他們經(jīng)常將PC的藍(lán)屏現(xiàn)象歸咎于軟件沖突。當(dāng)然，這種爭(zhēng)議會(huì)阻礙數(shù)字控制電源以及查找控制器故障期間功率級(jí)保護(hù)策略的推廣。這推動(dòng)了不依賴數(shù)字電源控制器信號(hào)的具備功率級(jí)內(nèi)部保護(hù)功能的MOSFET驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展。

圖1是數(shù)字控制電源的典型實(shí)施方案。圖中左側(cè)數(shù)字電源控制器通常的工作電壓為3.3V。由于控制器設(shè)計(jì)中采用了數(shù)字低電壓處理方法，出于對(duì)穩(wěn)定性及噪聲的考慮，不能直接使用該數(shù)字控制器驅(qū)動(dòng)MOSFET。控制器與功率級(jí)之間的接口由MOSFET驅(qū)動(dòng)器提供。通常由MOSFET驅(qū)動(dòng)器接收PWM或數(shù)字控制器的輸出信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換為適于高效開(kāi)、關(guān)MOSFET的高電流信號(hào)。如果控制器信號(hào)受到干擾或出錯(cuò)，則普通MOSFET驅(qū)動(dòng)器將無(wú)法提供任何保護(hù)功能。TI推出的UCD7K系列MOSFET驅(qū)動(dòng)器將能夠保護(hù)功率級(jí)免受因干擾驅(qū)動(dòng)信號(hào)而導(dǎo)致的重大故障。MOSFET驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的超高速電流感應(yīng)比較器提供了功率級(jí)保護(hù)。圖2為相關(guān)結(jié)構(gòu)圖。

集成的超快速電流限制功能

UCD7K MOSFET驅(qū)動(dòng)器接收到來(lái)自數(shù)字控制器的邏輯電平輸入信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換為±4A的高電流MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并連接至功率級(jí)。該驅(qū)動(dòng)器提供了具有可編程閾值及數(shù)字輸出電流限制標(biāo)記的周期性電流限制功能，主機(jī)控制器通過(guò)監(jiān)測(cè)電流標(biāo)記，可以選擇合適的算法并得出所需的限流配置參數(shù)(Profile)。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)不能及時(shí)針對(duì)故障做出響應(yīng)的情況時(shí)(極少發(fā)生)，該項(xiàng)快速(25ns)周期性電流限制保護(hù)功能就會(huì)關(guān)閉功率級(jí)。本地過(guò)電流保護(hù)功能的主要優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)數(shù)字控制器中的軟件代碼損壞或終止運(yùn)行時(shí)，UCD7K器件能夠?qū)β始?jí)提供保護(hù)。如果控制器PWM輸出保持高電流，本地電流檢測(cè)電路將在出現(xiàn)過(guò)電流情況時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器輸出。系統(tǒng)很可能進(jìn)入重試模式，因?yàn)榇蠖鄶?shù)DSP及微控制器均配備有板上看門狗、掉電復(fù)位等監(jiān)控外設(shè)，可以在運(yùn)行不正常時(shí)重新啟動(dòng)器件。但是這些外設(shè)的反應(yīng)速度通常較慢，無(wú)法保護(hù)功率級(jí)不受損壞。UCD7K的電流限制比較器為功率級(jí)提供了所需的快速保護(hù)功能。

通過(guò)在電流限制(ILIM)引腳施加所需的閾值電壓，可在0.25V至1.0V的范圍內(nèi)隨意設(shè)置電流限制閾值?？梢允褂秒娮璺謮浩骰蛘邤?shù)字控制器加數(shù)模轉(zhuǎn)換器來(lái)施加該電壓。在任何情況下，最大閾值電壓已在內(nèi)部限定為1.0V，而外部電壓設(shè)定超過(guò)1.0V時(shí)無(wú)效，這就為D/A轉(zhuǎn)換器損壞時(shí)提供了另一種保護(hù)功能。

TrueDrive輸出架構(gòu)

對(duì)于快速開(kāi)關(guān)速度，UCD7K驅(qū)動(dòng)器的輸出使用TrueDrive輸出架構(gòu)，在開(kāi)關(guān)交換的“米勒”平坦區(qū)期間，該架構(gòu)向MOSFET的柵極輸入±4A的額定電流。TrueDrive包含由雙極性管和MOSFET管并聯(lián)組成的上拉/下拉電路。

高電壓?jiǎn)?dòng)JFET+精確參考

部件號(hào)第二位數(shù)字等于或大于5(如UCD7500、UCD7601)的UCD7K系列器件內(nèi)置有一個(gè)110V啟動(dòng)JFET，可與48V通信總線電壓直接相連而無(wú)需外部電阻。JFET在啟動(dòng)期間提供電流，當(dāng)偏置繞組連接到VDD引腳得到足夠的工作電流時(shí)JFET將禁用。

UCD7K系列器件中還包含精度為1%、電壓為3.3V、電流為10mA的線性穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器在作為參考電壓的同時(shí)又為數(shù)字控制器供電。

數(shù)字電源應(yīng)用

圖3中UCD7500驅(qū)動(dòng)器將左側(cè)的數(shù)字控制器與右側(cè)的功率級(jí)相連。UCD7500的引腳1直接與通信輸入電壓總線相連，內(nèi)部JFET在啟動(dòng)期間提供電流。微控制器由MOSFET驅(qū)動(dòng)器的3.3V電壓穩(wěn)壓器供電。啟動(dòng)期間CLF標(biāo)志位保持高電平，直到UCD7500的內(nèi)部及外部電源電壓進(jìn)入工作范圍。此時(shí)，CLF標(biāo)志位將變?yōu)榈碗娖?，UCD7500開(kāi)始處理輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)。啟動(dòng)期間，微處理器監(jiān)測(cè)CFL標(biāo)志位，當(dāng)CLF標(biāo)志位變?yōu)榈碗娖胶?，微處理器向MOSFET驅(qū)動(dòng)器發(fā)送功率脈沖。MOSFET驅(qū)動(dòng)器從引腳3接收到輸入脈沖。同時(shí)從微控制器的引腳6接收到限流設(shè)置。與引腳8相連的電流感應(yīng)電阻監(jiān)視通過(guò)功率級(jí)的電流。一旦通過(guò)電流感應(yīng)電阻的電流超過(guò)ILIM上的限流設(shè)置，MOSFET驅(qū)動(dòng)器會(huì)立即關(guān)閉MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)，并向微控制器發(fā)送電流限制標(biāo)記。當(dāng)微控制器向UCD7500發(fā)送新的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)，電流限制標(biāo)記清除。該技術(shù)使微控制器能夠決定如何應(yīng)對(duì)電流限制事件，例如在一定時(shí)間內(nèi)向負(fù)載提供更多電流(馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)期間)。微控制器會(huì)提高電流限制閾值，也有可能會(huì)計(jì)算電流限制標(biāo)記脈沖的個(gè)數(shù)，容忍一定數(shù)量的電流限制事件，直到發(fā)出關(guān)機(jī)命令。

圖3：UCD7500 MOSFET驅(qū)動(dòng)器在數(shù)字控制電源中的典型應(yīng)用

模擬電源應(yīng)用

圖4中UCD7600 MOSFET驅(qū)動(dòng)器與內(nèi)置了PWM控制器的UCC28221相連。UCD7600提供兩個(gè)獨(dú)立的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，各自擁有獨(dú)立的電流限制比較器及電流限制標(biāo)記。在圖4的應(yīng)用中，兩個(gè)比較器的定值限流閾值由施加了3.3V內(nèi)部電壓的電阻分壓器提供。這些閾值用作打嗝(Hiccup)模式的二級(jí)電流感應(yīng)限制。