探索NCV51313：高效高侧栅极驱动器的卓越之选

在现代电源设计领域，高侧栅极驱动器扮演着至关重要的角色。它们不仅要实现缓冲和电平转换的功能，还要在高频操作下保持高效和稳定。今天，我们就来深入探讨安森美（onsemi）推出的一款优秀的高侧栅极驱动器——NCV51313。

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一、NCV51313概述

NCV51313是一款专为DC - DC电源和逆变器设计的130V高侧驱动器。在追求电源紧凑化和高效化的当下，高频操作成为了电源设计的趋势，但这也给驱动器带来了更高的损耗挑战。而NCV51313凭借其出色的性能脱颖而出，它具有一流的传播延迟、低静态电流和低开关电流，能够助力高频高效电源的实现。

该驱动器有NCV51313A和NCV51313B两个版本。NCV51313A的典型传播延迟为50ns，而NCV51313B更短，仅为20ns。这种短传播延迟使得它非常适合高频操作，能够有效提高电源的效率和响应速度。

典型应用原理图

内部方框图

二、关键特性剖析

（一）输入级特性

1. 兼容性：NCV51313的输入级与TTL和CMOS逻辑兼容，这意味着它可以轻松接受来自模拟或数字PWM控制器或逻辑门的3.3V或5V逻辑信号，大大增强了其在不同应用场景中的适用性。
2. 抗干扰能力：输入引脚配备了施密特触发器，其典型滞后值为0.7V，能够有效避免噪声引起的逻辑错误，确保了良好的抗干扰能力。
3. 浮动输入处理：当输入引脚处于浮动状态时，输出（HO）会保持低电平。同时，输入引脚内部有下拉电阻，当引脚悬空或由开漏信号驱动时，能明确其逻辑值。
4. 负电压耐受性：输入引脚能够耐受低于GND引脚电平的负电压，只要在绝对最大额定值范围内即可。这一特性使得它可以使用变压器作为输入脉冲的隔离屏障。
5. 噪声过滤功能：NCV51313A具有噪声抑制功能，通常能确保短于30ns的脉冲干扰不会改变HO电平；而NCV51313B的输入级则没有此类滤波器。

（二）欠压锁定（UVLO）保护

NCV51313具备欠压锁定保护功能。UVLO电路的作用是确保有足够的电源电压（$V{CC}$和$V{B}$）来正确偏置驱动电路，保证外部MOSFET的栅极在最佳电压下驱动。当$V{CC}$或$V{B}$低于UVLO电压时，高侧驱动器输出（HO）保持低电平。而且，$V{CC}$和$V{B}$的UVLO电路都带有滞后特性，这不仅可以避免电源中接地噪声引起的错误，还能在偏置电压小幅下降时确保设备持续运行。

（三）输出级特性

1. 驱动能力：输出级具有2.0A的源电流和3.0A的灌电流能力，能够在11ns内有效为1nF负载充电，在10ns内放电，展现出强大的驱动能力。
2. 充放电路径：当输入级接收到逻辑高电平时，$Q{source}$导通，$V{B}$通过$R{g}$为$C{GS}$充电，使外部功率MOSFET导通；当接收到逻辑低电平时，$Q{source}$关断，$Q{sink}$导通，为栅极端子提供放电路径。不过，$C{GS}$的充放电路径中存在寄生电感，可能会导致$V{B}$出现小幅下降，若$V_{B}$降至UVLO以下，电源可能会关闭设备。

（四）短传播延迟优势

NCV51313在输入和输出之间具有行业领先的传播延迟。NCV51313A的典型传播延迟为50ns，而NCV51313B由于没有输入滤波器，传播延迟更短，仅为20ns。这种短传播延迟使得它非常适合高频操作，并且允许100%占空比运行，不过在100%直流条件下使用时，需要有浮动源为浮动驱动器供电。

（五）负瞬态抗扰度（NTI）

在HB开关应用中，由于寄生电感和感性负载的影响，HB节点在开关操作期间常被拉至地以下，这些负尖峰可能导致电路故障或损坏。NCV51313在负电压条件下的工作能力通过NTI测试进行评估，测试结果表明它对负尖峰具有一定的鲁棒性。但需要注意的是，在应用电路设计中，仍应通过精心的PCB布局和合适的元件选择，尽可能消除或限制$V_{B}$引脚上的负瞬态电压。

三、元件选择要点

（一）$C_{boot}$电容值计算

NCV51313的高侧驱动器通过自举电路供电，自举电容$C{boot}$的选择至关重要。$C{boot}$值过低可能导致$V{B}$偏置电压下降，若降至UVLO以下，电源可能会关闭驱动器。在计算$C{boot}$值时，需要考虑MOSFET的栅极电荷$Q{g}$、浮动驱动器的电流消耗$I{B2}$、开关周期等因素。一般建议使用较大的值，以应对栅极电荷和电压随温度的变化。

（二）$R_{boot}$电阻值计算

为了给$C{boot}$充电，需要在$V{CC}$线到$V{B}$引脚之间连接外部二极管，并串联一个电阻$R{boot}$来降低电流峰值。$R{boot}$的阻值选择对高侧驱动器的正常工作至关重要，阻值过小会从$V{CC}$线汲取高电流峰值，过大则会导致电容无法充到合适的电平，使高侧驱动器被内部UVLO保护禁用。

（三）$v_{CC}$电容选择

$v{CC}$电容值应至少为$C{boot}$值的十倍，以确保电源的稳定性。

（四）IN引脚输入滤波器

对于NCV51313的IN引脚PWM连接，RC滤波器可以帮助滤除高频输入噪声，特别是对于没有内部滤波器的NCV51313B版本。推荐的$R{IN}$值为100Ω，$C{IN}$值为120pF。

（五）$R_{gate}$选择

$R_{gate}$的作用是限制栅极电容充放电期间的峰值栅极电流，抑制寄生电感引起的振铃，降低HB引脚的dV/dt到安全水平，并衰减EMI辐射。不过，电阻值过高会增加MOSFET的功率损耗，降低效率。建议先使用较高的电阻值进行评估，在确保所有条件下运行安全的情况下再降低阻值。

四、总功率耗散计算

NCV51313的总功率耗散是各部分耗散之和，包括器件（除驱动器外）的功率损耗、驱动器的功率损耗、电平转换器的功率损耗、高侧泄漏功率损耗等。通过合理的元件选择和电路设计，可以有效降低总功率耗散，提高电源的效率。

五、封装尺寸

NCV51313有DFNW6 3x3和标准SO8两种封装形式。不同的封装在尺寸、散热等方面有所差异，工程师在设计时需要根据实际应用场景选择合适的封装。

六、总结与思考

NCV51313凭借其出色的性能和丰富的特性，为DC - DC电源和逆变器设计提供了一个优秀的解决方案。它的短传播延迟、低静态电流和开关电流、良好的抗干扰能力等特点，使得它在高频高效电源设计中具有很大的优势。然而，在实际应用中，元件的选择和电路的设计需要仔细考虑，以确保设备的稳定运行和性能优化。

作为电子工程师，我们在使用NCV51313时，需要思考如何根据具体的应用需求，合理选择元件参数，优化电路布局，以充分发挥其性能优势。同时，也要关注负瞬态电压等潜在问题，通过合理的设计来避免电路故障。你在使用类似高侧栅极驱动器时，遇到过哪些挑战和问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。