切換式電源供應器發展至今,就控制器而言,無論在晶片本身硬體性能,或是在各種不用應用架構中的控制方式皆以相當成熟;而在開關元件方面的發展,半導體以及封裝技術皆能提供給用戶相當多的選擇,以600V耐壓的MOSFET而言,在現行立式封裝中早已能做出導通阻抗在20mΩ以下的元件,另在封裝技術方面,TOLL (TO-Leadless) 以及DDPAK (Double DPAK) 等導入了源極接線(Kelvin source)的貼片式封裝,更能同時滿足提升功率密度、優化開關行為、降低元件損耗以及自動化生產等新世代機種的規格要求。

在高輸出功率的應用中,為了有效驅動低導通阻抗的MOSFET,驅動晶片是不可缺少的,透過提供足夠的驅動電流,讓MOSFET能夠發揮快速切換的性能,以降低開關損耗,同時簡化線路,它可以說是將控制訊號傳達至MOSFET時不可獲缺的關鍵元件,但切換式電源供應器中的共模雜訊,有機會透過印刷電路板的地迴路準位受到干擾,進一步影響驅動晶片的邏輯判斷,使晶片送出錯誤的驅動訊號使MOSFET誤觸發,其影響輕則使整體電路的運作將無法發揮最好的效能,重則造成元件損壞。筆者將透過本文介紹如何利用差動式輸入的驅動晶片作以最為此問題的解決方案,以及此類晶片的延伸應用。

在MOSFET封裝中導入Kelvin Source即為優化驅動行為的一個良好對策。在MOSFET導通時,高變化率的電流會在封裝中的雜散電感上產生電壓擾動,若以傳統封裝方式下作驅動。驅動訊號將會受到引響而無法順利被導通,造成損耗的增加,如圖1 (a)、(b);而Kelvin Source直接將驅動訊號的地端跳過大電流迴路,直接接到晶片端,可以有效地改善此問題,如圖1(c),同時對於系統效率以及元件溫度都會有幫助,依筆者經驗,在750W的伺服器電源的功因校正級,將原本使用的傳統TO-247 (IPW65R065C7)元件改為具有Kelvin Source的TO-247-4P (IPZ65R065C7),在散熱以及元件導通阻抗不變的情況下,當系統操作在最低輸入電壓以及最大功率輸出時,系統損耗可以降低2.5W,同時此元件溫度降低了約8度,如此證明此概念是可幫助工程師優化電源供應器的性能。

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圖1:(a)電路中雜散電感所造成的電壓擾動;(b) 元件封裝中雜散電感對開關行為的影響;(c)、透過Kelvin Source改善開關行為。

然而,在利用傳統驅動晶片進行電路板佈局時,由於晶片僅有一個地接腳,所以在使用Kelvin Source元件時,雖然可以將驅動晶片所送出的驅動訊號在不受電壓擾動的影響下完美地傳送至MOSFET端;但是對於驅動晶片與控制器來說,這兩級的地端卻離得更遠了,如圖2(a);一旦迴路中因雜訊造成地準位的擾動,增加了控制訊號的輸入邏輯被干擾的可能性,造成驅動晶片送出錯誤的輸出訊號,在開關的瞬間讓MOSFET有二次導通的行為發生,如圖2(b)。

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圖2:驅動晶片輸入訊號被干擾時造成的誤導通行為。

所以若要發揮Kelvin Source元件的優點,同時又兼顧控制邏輯的準確性,工程師可以利用隔離型驅動晶片,將輸入端的地接至控制器、輸出端的地準位接至MOSFET的源極,有效區隔控制以及電流迴路,如圖3。

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圖3:以隔離型驅動芯改善驅動電路。

但在近期電源產業成本壓力沉重,同時對功率密度的要求亦愈來愈嚴格,因此單價高,同時體積又較大的隔離型驅動晶片似乎很難受到設計者的青睞。為此英飛凌試著用純低壓製程並搭配使用差動訊號作為輸入級判斷依據的驅動晶片,透過此一概念的實現,當迴路中產生雜訊、甚至是準位受到飄移,晶片仍然能夠提供正確的行為,因此工程師能將驅動晶片的地端直接接至MOSFET,讓開關行為能在正確的訊號下作最有效的切換。同時由於是純低壓的製程,無論在價格、體積以及電路精簡的表現都優於隔離型驅動晶片,如圖4。

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圖4:隔離型與差動訊號輸入驅動晶片於驅動電路中的比較。

英飛凌將上述想法實現為1EDN7(8)550B系列驅動晶片,它將控制器所送出的脈寬調變訊號,與控制器的地端訊號,經由對稱的外部電阻及接線,以差動訊號的形式傳送至晶片內部作比較,透過差動訊號良好的抗干擾能力,可以使控制訊號的邏輯不受電路板中雜訊干擾。實際以圖5 (a)所示之降壓電路作測試,取控制晶片的地VGND、脈寬調變訊號VPWM、MOSFET所接受到的驅動訊號VGS以及電感電流IL作觀察,首先將地準位作了+/-10V的電壓偏移,接著對地準位注入+20/-30V的雜訊,實驗結果如圖5 (b)(c)波形所示,在控制器端無論是受到高頻雜訊或是地準位產生偏移,皆不會對驅動器的輸出邏輯造成影響。

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圖5:(a)1EDN7550B用於降壓電路;(b)控制器地準位漂移;(c)控制器地準位受雜訊干擾。

而此電路的另一特點是,輸出的邏輯僅依正負輸入端的電壓差作判斷,而控制器與驅動晶片間的地準位的電位差不會對輸出訊號造成影響,圖6為控制器輸出至驅動晶片地端的路,假設輸入的脈寬訊號電壓值為3.3V,依供應商所提供的公式(1)作計算,外部電阻值為33KΩ,晶片本身地端對輸入端的耐電壓值為負7至正6V,若以輸入端內、外電阻值的分壓來計算,驅動晶片的地端對控制訊號的耐壓則為負84至正72V,這代表著晶片可以應用於與系統地端電壓差為84V的電路中,如圖4(a)的降壓電路即為一應用範例。

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公式(1):輸入電阻計算公式

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圖6:1EDN7(8)550B可運用於高跨壓的電路。

當應用在不同電壓的脈波訊號時,輸入電阻需要作適當地調整,同時也代表此晶片可被配置在不同電壓準備的電路節點中。下表1為脈波訊號、輸入電阻以及電壓範圍的對照表。

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表1:不同輸入電壓條件下的電阻設定以及地漂移的耐受度。

當我們將差動訊號作為低壓驅動晶片的輸入方式後,便可將純低壓製程的產品,應用在非對地的場合中,如此便可發展出許多延伸應用,在此筆者舉出幾種比較常見的電路,首先是如先前提過的中、低壓橋接式電路,其可能的架構有降壓轉換器,全橋(相移)轉換器,全橋同步整流電路。在照明應用中,有使用到降-升壓轉換器,如圖7,在此架構中,開關元件是接到電感,而系統電端,我們亦可藉由差動輸入式的低壓驅動晶片來實現簡單穩定又低成本的對策。

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圖7:1EDN7550B 應用於降-升壓轉換器。

在馬達控制的電路中,以往我們常見到半橋驅動晶片,但此缺點是難以將驅動迴路縮小,同時電路中又充滿電流變化時所產生的雜訊,而使用單通道的差動輸入式晶片,可以晶片本體配置靠近開關元件的位置,縮短驅動迴路,同時差動式輸入訊號又可以有效抑制雜訊對控制邏輯的干擾,如圖8所示。

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圖8:1EDN7550B 用於馬達驅動電路。

而在半橋電路的應用中使用者都會去避免電路發生上下臂開關同時導通行為。而此晶片雖然是單通導輸出,但可透過如圖9所示的外部簡單的接線,在不增加元件數量的條件下實現此功能。

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圖9:差動輸入驅動晶片實現上下臂重疊保護。

在電路板的元件佈局以及迴路的安排上,差動訊號仍舊有它需要注意的地方,如圖10所示,在正負兩端的輸入訊號,電阻的配置必須要儘量靠靠驅動晶片,而兩條訊號迴路距離也需儘量靠近且以對稱的方式由控制器接至驅動晶片,以免單一訊號受到雜訊影響而使輸出產生錯誤的邏輯。

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圖10:使用差分輸入驅動晶片時電路板佈局。

結語

驅動晶片已是目前中高瓦數電源供應器必須使用的元件,透過利用差動式輸入訊號作為驅動晶片的邏輯判斷依據,可以避免迴路中雜訊對於的控制訊號的干擾,對於提升系統效率及產品信賴度都有顯著的幫助,更適合應用於高瞬間功率以及高動態負載變化率的電源供應器中。而極小的元件封裝,除了能夠使其儘量靠近MOSFET以縮短驅動迴路,更是符合目前高功率密度的設計趨勢。

能夠應用於地準位浮動的電路架構中特性,使產品可以跳脫了僅限於應用低壓電路的框架,大大延伸了產品的使用範圍,如此便可以使用單一元件輕鬆整合至不同的驅動電路中,作為電源工程師簡化專案的選料以及備料作業的新選擇。