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在隔離 DC/DC 電源中經常會使用到帶浮地功能的雙通道驅動器 UCC27201。實際應用發現，某些場景中，其HO 引腳會在上電時刻產生誤脈沖。該誤脈沖導致系統有開機異常的風險。本文通過實際仿真和電路原理分析，詳細介紹了誤脈沖產生的機理，隨后提供了兩個針對該誤脈沖的解決方案，并給予了詳細解釋。 1、隔離電源系統設計 某隔離電源系統完成 DC/DC 的轉換，采用全橋拓撲，輸出電壓為 12V。其中，全橋的原邊側驅動器就采用了UCC27201，共計兩顆。 1.1 隔離電源系統簡述 該隔離電源系統完成寬范圍輸入電壓(36V~72V)到 12V 的轉換，輸出功率 350W。系統采用帶同步整流功能的硬開關全橋拓撲(HSFB)。圖 1 所示的是該系統的方框圖，包含有主控芯片 LM5035，置于原邊側的驅動器UCC27201，置于副邊側的驅動器 UCC27324 和隔離器等器件。 圖 1：隔離電源系統框圖 1.2 UCC27201 的應用 UCC27201 是帶有浮地功能的 MOSFET 驅動器，具有高端輸出和低端輸出兩個通道，可以應用于 BUCK，半橋和全橋等拓撲。該芯片引腳的描述如下： ● 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) ：高端驅動輸入和低端驅動輸入; ● HO, LO (Pin3, Pin8) ：高端驅動輸出和低端驅動輸出; ● HB, HS (pin2, pin4) ：浮地供電和浮地引腳，用于高端驅動供電; 如圖 2，在本電源系統中，一顆 UCC27201 的兩路輸出驅動全橋同一側橋臂的兩個 MOSFET，主要連接網絡標示如藍色字體。另一顆 UCC27201 的兩路輸出則是驅動全橋的另一側橋臂。 圖 2：驅動器 UCC27201 的實際應用 采用上述應用電路的實際驅動信號見圖 3，包括了軟啟動和正常運行等兩個階段。 在軟啟動階段，標示為 Q1 的 MOSFET 的驅動信號占空比遠小于 50%，而 Q2 的驅動信號占空比則是超過了50%，與 Q1 的驅動信號占空比保持為互補關系。Q3 和 Q4 驅動信號的關系同上。 在正常運行階段，Q1~Q4 的驅動信號占空比全部都接近 50%。相互之間的關系如圖 3 所示，即 Q1 和 Q2 保持互補，Q3 和 Q4 保持互補。 圖 3：全橋驅動信號 2、UCC27201 HO 引腳的誤脈沖及根因分析 實際應用中，由于不同的 UCC27201 的供電電壓設計有差異，當其 Cboot 電容充電過快時，HO 引腳會出現誤脈沖。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致芯片內部對 HO 管腳下拉的 MOSFET 不能及時導通，最終造成了 HO 引腳輸出誤脈沖。 2.1 HO 引腳的誤脈沖 實際測試上述電源系統時發現，開機時 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，進而導致系統開機存在風險。 圖 4：HO 引腳的誤脈沖 2.2 HO 引腳誤脈沖的根因分析 圖 5 所示的是 UCC27201 內部與 HO 相關的電路。在 HB 與 HS 之間電壓正常建立后，邏輯電路會依據 HI 電平的高或低而打開 Qa 或 Qb，從而實現 HO 高低電平的輸出。Qc 是當 HB 與 HS 之間電壓還處于欠壓階段時，用以導通以拉低 HO 引腳，確保在該階段 HO 無輸出。 圖 5：HO 相關的內部電路 當 HB 與 HS 間電壓還處于欠壓階段時，內部電路會產生高電平驅動信號以導通 Qc。但是，該高電平驅動信號的產生存在一定的延時;同時，Qc 設計用來被脈沖信號觸發，而非電平信號觸發。上述兩個因素就造成，當 HB與 HS 間電壓上升過快時 Qc 將不能及時導通。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 的結電容)，因 Qc 還未導通，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 間電壓先得以預建立，Qc 的驅動信號(圖 6 中的藍色線和紅色線)的高電平脈沖將會變寬，這就能保證 Qc 導通，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，以得到足夠寬的高電平信號并使 Qc 導通。 3.1 Cboot 充電過程分析 如圖 7 所示，UCC27201 內部有二極管(D1)連接 Pin1 (VDD)和 Pin2(HB)。在 Pin1 的外部連接有供電網絡(電壓為 12V)，電容 Cd(1uF)和串聯電阻 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 Cd 與 Cboot的壓差減小為約 0.65V(二極管 D1 的正向導通壓降)時，第一階段結束。 ●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 中的仿真結果是基于 Cboot 為 300nF，圖 9 的仿真結果則是基于 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時間，分別約為 280ns 和 120ns。下節會分析第一階段持續時間不同可能會帶來的風險。 圖 10 給出的是實測波形，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。可以看到，在 UCC27201 上電后，VDD 電壓快速下降，然后又緩慢上升，這與仿真結果一致。 圖 7：Cboot 電容充電電路 圖 8：Cboot 為 300nF 時的仿真結果 圖 9：Cboot 為 100nF 時的仿真結果 圖 10：充電過程的實測波形 3.2 增大 Cboot 電容的風險分析 在 UCC27201 的實際應用中，需要注意內部二極管 D1 的反向恢復應力。 當 LO 的輸出 由高變低后，HS 電壓會升高，HB 電壓同樣也會升高，此時內部二極管將承受反壓，并承受隨后出現的反向恢復應力。如果反向恢復應力出現之前時刻的二極管正向導通電流超出額定范圍，反向恢復應力則會過大而導致二極管失效。UCC27201 要求內部二極管承受反向恢復應力前的正向導通電流在 2A 以下。 在該電源系統中，將 Cboot 修改為 300nF 后，二極管正向電流在約 280ns 后降低到 2A。而在開機的第一個周期內，下管的持續時間超過了 3us(如圖 11，CH1 和 CH2 是全橋兩個下管的驅動信號)，即 3us 之后內部二極管才會有反向恢復應力，由于此時正向導通電流已經遠低于 2A，二極管無可靠性風險。因此，修改 Cboot 容值到 300nF后二極管不會有失效風險。 圖 11：開機時刻全橋下管的驅動波形 4、解決措施之 Cboot 電容預充電 給 Cboot 電容預充電，可以提前產生驅動信號以確保內部 Qc 導通。當系統發波后，LO 變高會產生充電路徑而使 Cboot 快速充電，但由于此時內部 Qc 已經導通，HO 將不會產生誤脈沖。 4.1 預充電電路 如圖 12 所示，增加一顆電阻 RL后即可形成預充電電路。當 UCC27201 的 12V 建立后，在系統未發波前，12V電壓可以通過路徑 Ri->D1->Cboot->RL給 Cboot 充電。 經仿真知，當對 Cboot 電容預充電至 1V 左右，內部 Qc 就會導通。于是，隨后的快速充電將不會再在 HO 引腳產生誤脈沖。根據 12V 建立到系統發波之間的延時時間，可以計算合適的 RL值，以保證 Cboot 預充電至 1V 以上。 圖 12：Cboot 電容的預充電電路 4.2 新增電阻的阻值計算 假設延時時間為 1ms，根據如下 RC 充電公式，可知 RL 約為 114Kohm。 12V x [1 – exp(-1ms / RL*Cboot )] = 1.0V 考慮到系統正常運行后，全橋上管導通時，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：0.5 x(72V*72V)/100K=0.026W 綜上可知，實際應用中，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 在 UCC27201 的實際使用中，如果 Cboot 電容充電速率過快，則會在 HO 引腳產生誤脈沖。通過對誤脈沖產生機理的分析可知，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帶來額外的可靠性風險。 但需要注意的是，在采用上述兩種方案前都需要仔細評估，以確定當前應用條件下，上述方案不會帶來風險。可以邀請 TI 工程師共同參與該評估過程。 6、參考資料 1. UCC27201 datasheet, Texas Instruments Inc., 2008 2. LM5035 datasheet, Texas Instruments Inc., 2013 |
