低压栅极驱动器的结构组成和工作过程
引言：对于中压或高压的电源系统，对mos组的要求特别高，drmos已经不能满足设计参数要求，此时将drmos再次分拆开来，将驱动部分独立成为栅极驱动器。栅极驱动器的强度和抗扰度极佳，非常适用于电机驱动、家用电器、smps、电池供电应用和大功率照明。
1.结构组成
在smps中，如图8-1所示，（low voltage gate drivers）低压栅极驱动器 （半桥栅极驱动器）即是2部分。而在电机驱动中，两个半桥栅极驱动器就可以组成一个h桥驱动器，控制电机的转速和方向，在ac-dc/dc-ac中，还充当整流器和逆变器，例如无线充电链路。每一个功率器件都需要一个驱动器（驱动芯片）
图8-1：dc-dc结构层级
图8-1中是以pwm三态模式驱动，还有另外一种两态模式驱动，本节先介绍pwm模式，下节介绍hl两态模式。
2.pwm三态模式驱动
驱动结构
图8-2是一个和数字电源控制器搭配使用的半桥栅极驱动器ic内部结构图，其中vcc是独立供电引脚，boot和phase用于自举设置（bst），pwm来自于数字电源控制器的pwm输入，输入信号pwm参考sgnd引脚，tg/bg（ug/lg）状态由该引脚处的电压决定。驱动器内部实现了一个嵌入式电阻器网络，如果该引脚是浮动的，内部电阻分压器会触发高z模式，在该模式下bg和tg都关闭，layout时该引脚上的寄生电容应最小化。
图8-2：典型的半桥驱动ic内部结构
图8-3：典型的半桥驱动ic内部结构-2
栅极驱动器接收以地为基准的低电压数字pwm信号，以驱动半桥配置中的两个n沟道功率mosfet。低侧mosfet的栅极被驱动为高或低，在bgvcc和bgrtn之间摆动，这取决于pwm引脚的状态。类似地，高侧mosfet的栅极与低侧mosfet互补地被驱动，在bst和sw之间摆动。低侧驱动器和高侧驱动器都是浮栅驱动器，独特的双浮动结构使栅极驱动器输出稳健，对地噪声不太敏感，对称设计允许半桥输出是输入逻辑的反相或非反相。
而同一个pwm波可以同时驱动多个驱动器，如图8-4所示：
图8-4：多驱动器模式
驱动逻辑
对于具有固定转换阈值的三态pwm输入，驱动器的转换阈值和三种输入状态之间的关系如图8-5所示。当pwm上的电压大于阈值vih（tg）时，tg被上拉到bst，使高侧mosfet导通，该mosfet将保持导通，直到pwm降至vil（tg）以下。类似地，当pwm小于vih（bg）时，bg被上拉到bgvcc，使低侧mosfet导通，bg将保持高电平，直到pwm增加到阈值vil（bg）以上。
图8-5：三态及其转换阈值
驱动器还能够将两个外部mosfet驱动到断开状态，当pwm信号电平进入关闭窗口或三态（通常在1.2v和2v之间）时，在关闭保持时间到期后，两个mosfet都会关闭。当控制器想要减少活动相（多相架构）的数量以降低功耗时，此功能非常有用。原则上，三态也可以用于在重负载和轻负载转换期间提高性能。
图8-6是驱动器的时序图，其中自适应交叉导通保护基于mosfet在关断期间的栅极到源极电压，当pwm信号变低时，高侧mosfet将开始关断，一旦高侧mosfet的vgs放电到1v以下，低侧mosfet就会开始导通。当pwm信号变高时，低侧mosfet将开始关断，一旦低侧mosfet的vgs在1v以下放电，高侧mosfet就会开始导通。为了避免高侧mosfet和低侧mosfet之间的交叉导通，驱动器内部采用了自适应反击穿控制方案，这种自适应方案允许将各种不同的功率mosfet用于不同类型的功率转换，但是为了最大限度地提高整体解决方案的效率，死区时间保持得尽可能短。
对应的vih和vil电平之间的滞后消除了由于开关转换期间的噪声而引起的错误触发，但是应注意防止噪声耦合到pwm引脚，特别是在高频、高电压应用中。
图8-6：三态栅极驱动器时序图
驱动能力
由于功率mosfet通常占转换器中功率损耗的大部分，因此具备快速导通和关断特性的功率mosfet非常重要，从而最大限度地减少转换时间和功率损耗。如图8-7所示，驱动器的典型1.5ω上拉电阻和0.8ω下拉电阻相当于10v驱动器电源下的3a峰值上拉电流和6a峰值下拉电流。bg和tg都可以驱动mosfet的快速导通转变，具有以18ns上升时间驱动3.3nf负载的能力，所以一定要关注所选mos的寄生电容和layout电容。
图8-7：半桥配置中的简化输出级
3.工作过程 *
当vcc引脚电压超过vcc上升电压阈值（vuvlo_r）时，驱动器开始根据pwm状态进行操作。在vcc引脚电压达到vcc上升阈值之前，两个mosfet都保持在断开状态。对于vcc，建议其上升沿的斜率高于上升uvlo阈值附近的5v/100ms。当pwm信号执行从低状态到高状态的转换（pwm电压高于2.5v典型值）时，在关断传播延迟时间之后，低侧mosfet关断，接下来在导通传播延迟时间之后，高侧mosfet导通。一旦接通时间到期，pwm信号从高状态转换到到低状态（pwm电压低于0.8v典型值），这将在关断传播延迟时间之后将高侧mosfet从导通状态驱动到截止状态。
4.自举电容
高侧mosfet通过自举电路供电，有的内部带自举电源，有的驱动器嵌入自举二极管，因此要完成boot网络，只需要在phase引脚和boot引脚之间添加电容。在许多情况下，驱动器经过优化已具备最佳的开关动作，因此不需要外部电阻（串联栅极驱动电阻）。根据高侧mosfet栅极电荷来选择自举电容，以下公式给出了由于高侧mosfet的充电而引起的自举电容两端的电压降的准确估算：
δvboot是自举电压的浮动值，这通常应尽可能低，以避免高侧mosfet的rdson下降，一般0.1v和0.01v之间的值是可以接受的。
低侧mosfet驱动器通过vcc引脚供电，自举电容的相同考虑因素和公式可以应用于对vcc引脚进行滤波的电容。部分驱动器还支持将驱动电压从4.5v调整到8v，这样的灵活性使设计者能够以任何所需的方式塑造效率曲线。
5.注意点
驱动器输出上的强下拉防止了交叉传导电流，例如在图8-7所示的半桥配置中，当bg关闭低侧功率mosfet，tg打开高侧功率mosfet时，sw引脚上的电压可能会非常迅速地上升到vin，该高频正瞬态电压将通过低侧功率mosfet的cgd电容耦合到bg引脚。如果bg引脚没有被充分压低，bg引脚上的电压可能会上升到低侧功率mosfet的阈值电压以上，从而瞬间使其重新导通，因此高侧和低侧mosfet都将导通，这将导致大量的交叉导通电流通过mosfet从vin流到地，从而造成相当大的功率损失并且可能损坏mosfet，因此建议bg和tg引脚的pcb走线尽可能短粗，以最大限度地减少寄生电感。
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1.结构组成
在smps中，如图8-1所示，（low voltage gate drivers）低压栅极驱动器 （半桥栅极驱动器）即是2部分。而在电机驱动中，两个半桥栅极驱动器就可以组成一个h桥驱动器，控制电机的转速和方向，在ac-dc/dc-ac中，还充当整流器和逆变器，例如无线充电链路。每一个功率器件都需要一个驱动器（驱动芯片）
图8-1：dc-dc结构层级
图8-1中是以pwm三态模式驱动，还有另外一种两态模式驱动，本节先介绍pwm模式，下节介绍hl两态模式。
2.pwm三态模式驱动
驱动结构
图8-2是一个和数字电源控制器搭配使用的半桥栅极驱动器ic内部结构图，其中vcc是独立供电引脚，boot和phase用于自举设置（bst），pwm来自于数字电源控制器的pwm输入，输入信号pwm参考sgnd引脚，tg/bg（ug/lg）状态由该引脚处的电压决定。驱动器内部实现了一个嵌入式电阻器网络，如果该引脚是浮动的，内部电阻分压器会触发高z模式，在该模式下bg和tg都关闭，layout时该引脚上的寄生电容应最小化。
图8-2：典型的半桥驱动ic内部结构
图8-3：典型的半桥驱动ic内部结构-2
栅极驱动器接收以地为基准的低电压数字pwm信号，以驱动半桥配置中的两个n沟道功率mosfet。低侧mosfet的栅极被驱动为高或低，在bgvcc和bgrtn之间摆动，这取决于pwm引脚的状态。类似地，高侧mosfet的栅极与低侧mosfet互补地被驱动，在bst和sw之间摆动。低侧驱动器和高侧驱动器都是浮栅驱动器，独特的双浮动结构使栅极驱动器输出稳健，对地噪声不太敏感，对称设计允许半桥输出是输入逻辑的反相或非反相。
而同一个pwm波可以同时驱动多个驱动器，如图8-4所示：
图8-4：多驱动器模式
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对于具有固定转换阈值的三态pwm输入，驱动器的转换阈值和三种输入状态之间的关系如图8-5所示。当pwm上的电压大于阈值vih（tg）时，tg被上拉到bst，使高侧mosfet导通，该mosfet将保持导通，直到pwm降至vil（tg）以下。类似地，当pwm小于vih（bg）时，bg被上拉到bgvcc，使低侧mosfet导通，bg将保持高电平，直到pwm增加到阈值vil（bg）以上。
图8-5：三态及其转换阈值
驱动器还能够将两个外部mosfet驱动到断开状态，当pwm信号电平进入关闭窗口或三态（通常在1.2v和2v之间）时，在关闭保持时间到期后，两个mosfet都会关闭。当控制器想要减少活动相（多相架构）的数量以降低功耗时，此功能非常有用。原则上，三态也可以用于在重负载和轻负载转换期间提高性能。
图8-6是驱动器的时序图，其中自适应交叉导通保护基于mosfet在关断期间的栅极到源极电压，当pwm信号变低时，高侧mosfet将开始关断，一旦高侧mosfet的vgs放电到1v以下，低侧mosfet就会开始导通。当pwm信号变高时，低侧mosfet将开始关断，一旦低侧mosfet的vgs在1v以下放电，高侧mosfet就会开始导通。为了避免高侧mosfet和低侧mosfet之间的交叉导通，驱动器内部采用了自适应反击穿控制方案，这种自适应方案允许将各种不同的功率mosfet用于不同类型的功率转换，但是为了最大限度地提高整体解决方案的效率，死区时间保持得尽可能短。
对应的vih和vil电平之间的滞后消除了由于开关转换期间的噪声而引起的错误触发，但是应注意防止噪声耦合到pwm引脚，特别是在高频、高电压应用中。
图8-6：三态栅极驱动器时序图
驱动能力
由于功率mosfet通常占转换器中功率损耗的大部分，因此具备快速导通和关断特性的功率mosfet非常重要，从而最大限度地减少转换时间和功率损耗。如图8-7所示，驱动器的典型1.5ω上拉电阻和0.8ω下拉电阻相当于10v驱动器电源下的3a峰值上拉电流和6a峰值下拉电流。bg和tg都可以驱动mosfet的快速导通转变，具有以18ns上升时间驱动3.3nf负载的能力，所以一定要关注所选mos的寄生电容和layout电容。
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3.工作过程 *
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4.自举电容
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