浮地非隔离半桥栅极驱动器的应用

产品设计师必须有能力在多种限制因素之间进行平衡——封装大小、成本、可靠性和上市时间。关键挑战是选择一个适合现代应用所需的狭小空间的电源。

紧凑的高性能功率级依赖快速、可靠的栅极驱动解决方案。这类解决方案既有简单的低压侧驱动器，也有适合高压环境的全隔离版本。对于许多设计来说，浮地非隔离栅极驱动器提供了一条有效的成功途径。

栅极驱动器用作中间器件，将通常来自微控制器或脉宽调制 (PWM) 控制器的低功率控制信号传递至调节能量流的高功率开关。这类器件可确保洁净、快速和精确的切换，从而实现功率输出的优化。

要选择合适的栅极驱动器，就需要评估电压和电流要求、拓扑结构和开关频率。匹配良好的驱动器可提供高效率、定时精确度度和热稳定性，这些对于高性能、紧凑型系统都至关重要。

半桥拓扑结构的优点

半桥拓扑是现代电源转换中广泛使用的一种方法，可在紧凑型设计中实现高效稳压。这种拓扑依靠两个高速开关器件，通常是 MOSFET 或绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 来交替输入电压，在隔离设计中为变压器供电，或在非隔离系统中直接为负载供电。这种拓扑结构因其效率和热优化潜力而受到重视。

栅极驱动器 IC 在控制这些开关时不可或缺，是控制器和功率级之间的接口。该 IC 将 PWM 信号转换为大电流驱动信号，确保快速精确地切换高压侧和低压侧晶体管。这种快速高效的运行方式最大限度地减少了能量损耗，提高了系统的整体性能。

在半桥电路中，高压侧 MOSFET 的源极连接开关节点，开关节点根据开关周期在接地 (0 V) 和输入电压（如 12 V、48 V 等）之间快速移动。采用浮地非隔离栅极驱动器时，高压侧驱动器会随开关节点的电压"浮动“，从而实现洁净、高效的转换。

当不需要隔离，而又把结构紧凑、速度和效率作为优先考虑因素时，浮地非隔离半桥栅极驱动器就成了理想的解决方案。这些驱动器设计用于控制高压侧和低压侧 MOSFET 开关，既避免了隔离的复杂性，又确保了精确的开关性能。由于这种驱动器在控制逻辑和功率级之间不提供电隔离，因此在所有组件共地的系统中效果最佳。

为高压侧 MOSFET 生成所需的栅极驱动电压通常需要一个自举电容器。当低压侧开关导通时，该电容充电；当高压侧开关开启时，该电容供电。

当低压侧 MOSFET 导通时，开关节点被拉至地，从而允许一个小型二极管电容电路从电源轨为自举电容充电。当需要开启高压侧 MOSFET 时，驱动器会利用存储的电荷将栅极驱动至高于开关节点的电压，通常高出 10 V 至 15 V。

设计人员必须确保低压侧开关的开启频率足以为自举电容器充电。在高占空比应用中，可能需要采取额外的预防措施，例如选择合适的电容值、尽量减少自举二极管上的压降。

通过利用自举架构和跟踪开关节点电压，浮地非隔离半桥驱动器既避免了实现隔离的复杂性，又确保了稳健的高压侧控制。这种驱动器简单高效，非常适合降压和升压转换器、同步稳压器、电机驱动器和 D 类音频放大器等高频开关应用。

选择合适的栅极驱动器 IC

选择合适的栅极驱动器，对于确保功率级的高效、可靠和安全运行至关重要，尤其是在降压转换器、电机驱动器和太阳能发电系统等高速开关应用中。虽然栅极驱动的基本原理应用非常广泛，但根据系统要求，某些选择标准会变得特别重要。

例如，在太阳能转换和电池供电系统中，栅极驱动器必须适应较大的输入电压变化和不断变化的负载条件。需要有足够余量的高压侧额定电压，以承受全电源轨波动并确保长期可靠。

共模瞬态抗扰度 (CMTI) 是另一个主要考虑因素。快速开关事件会在高压侧和低压侧 MOSFET 之间产生陡峭的电压差，从而导致噪声和振铃。具有高 CMTI 的栅极驱动器在电噪声环境中表现更稳定。

峰值驱动电流同样重要，尤其是在大功率应用中。驱动器必须提供足够的电流，以便快速为 MOSFET 栅极充电并克服寄生电容，从而降低开关损耗，改善热性能。

最终，死区时间控制在半桥拓扑中起着关键作用。如果在关断一个开关和开启另一个开关之间没有短暂的延迟，就会出现击穿现象，即两个 MOSFET 同时导通。许多栅极驱动器具有内置或可调的死区时间设置，以防止出现这一问题，并在不同负载条件下实现安全高效运行。

ADI 的 LTC706x 系列

浮地非隔离半桥驱动器简单易用，具有高速开关功能，是许多设计的最佳解决方案。Analog Devices, Inc. (ADI) 提供一系列功能丰富的高压器件，专为要求苛刻的应用而设计。

ADI 的 LTC706x 浮地非隔离半桥栅极驱动器（图 1）为满足高速、高电压电源转换的需求提供了多功能解决方案。该系列器件采用紧凑型封装，具有严格的定时控制、击穿保护和强大的驱动力，可满足从汽车到工业控制等各种应用的需求。

图 1：ADI 的 LTC706x 浮地非隔离半桥驱动器的外形尺寸。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

ADI 产品提供了一系列与电压、逻辑和布局要求相匹配的选择，有助于设计人员在系统级性能和简易性之间进行适当权衡。所有器件均支持 N 沟道 MOSFET，与 P 沟道 MOSFET 相比，具有更低的导通电阻 (RDS_ON)、更快的开关速度和更高的电流处理能力。

两个器件支持 100 V 最高电源电压：

• LTC7060 针对依赖具有三态功能的单路 PWM 输入的系统进行了优化，使其能够仅从一条控制线就能获得高压侧和低压侧栅极驱动时序。这简化了数字控制器接口，减少了引脚数，适合用于空间有限的应用。三态输入模式还能实现安全的高阻抗状态，从而在某些故障情况下增加一层容错功能。对于喜欢简洁紧凑的设计师来说，这是一个不错的选择。
• LTC7061 专门用于为高压侧和低压侧开关提供独立 CMOS 或 TTL 逻辑电平输入的应用。使用这种双输入方法，可灵活地控制定时——这在死区时间由微控制器或 PWM 控制器进行外部管理的系统中尤为重要。对于需要严格控制开关特性或实施定制化定时策略的设计需求，LTC7061 就是一个适应性更强且控制灵活的接口，支持精准的性能调节。

对于输入电压超过 100 V 的应用，例如工业电机驱动器、48 V 汽车电源轨或以太网供电基础设施，设计人员可以选用支持 140 V 最大电源电压的两个器件：

• LTC7063 具有一个三态 PWM 输入，允许通过单个输入信号同时控制高压侧和低压侧 MOSFET。这种配置简化了控制接口，因为 PWM 引脚会根据其电压电平决定 MOSFET 的状态。对于大功率应用，设计人员可能更倾向于采用这种设计，因为简化的控制接口、更少的引脚以及在高密度印刷电路板上复杂程度最小的信号布线，都将非常有益于这些应用。LTC7063 的一个实际应用是带有远程负载的 2:1 降压转换器设计（图 2）。凭借最高可达 80 V 的输入电源电压，这种配置可将一半的输入电压（½V_IN）输出至最大 5 A 的负载。

图 2：一个使用 LTC7063 浮地非隔离半桥栅极驱动器的、带远程负载降压型转换器设计。(图片来源：Analog Devices, Inc.）

• LTC7066 可为高压侧和低压侧驱动器接受独立的 CMOS/TTL 逻辑电平输入，为每个 MOSFET 提供单独的控制信号。这样就能实现精确而灵活的控制，让设计人员充分利用定时、死区时间和开关特性。因此，该器件非常适合采用微调数字控制功能的系统，如使用高性能数字控制器或 FPGA 的系统。

无论是在低压还是高压环境中工作，产品系列中的每个器件都包含必要的保护和调节参数，这有助于设计人员最大限度地发挥功率级的性能。

每个产品都具有自适应击穿保护功能，可防止高压侧和低压侧 MOSFET 同时导通。此外，每个器件都支持死区时间可调，使设计人员能够微调开关转换之间的延迟，从而在不影响效率的情况下最大限度地减少损耗并避免交叉导通。欠压锁定 (UVLO) 是另一项常见功能，用于确保栅极驱动器仅在电源电压处于安全阈值范围内时工作。

从性能角度来看，LTC706x 系列器件都具有很强的栅极驱动阻抗，典型值为 1.5 Ω 上拉和 0.8 Ω 下拉。这一特性能够实现快速栅极充电和放电——对于高速应用中的快速开关、严格时序控制和降低开关损耗来说至关重要。

对于传统自举方法无法满足的高占空比应用，设计人员可以评估其他栅极驱动技术。必须考虑每种方法在复杂性、效率和成本方面的权衡。例如，隔离栅极驱动器利用变压器或数字隔离器提供独立的栅极驱动电压，从而无需自举充电机制，而直接偏置电源则可提供不受开关周期影响的稳定栅极驱动电压。

结语

在对速度、效率和紧凑型设计要求极高的大功率应用中，浮地非隔离半桥栅极驱动器为控制高压侧和低压侧 MOSFET 提供了最佳解决方案。通过利用自举电路产生必要的栅极驱动电压，这些驱动器避免了复杂的隔离设计，同时保持了精确的开关性能。ADI 的 LTC706x 系列产品提供了一系列多功能解决方案，可满足高速、高压电源转换的需求。