高速双MOSFET驱动器MC34151/MC33151：特性、应用与设计要点

在电子设计领域，高速双MOSFET驱动器是连接低电流数字电路和大电容负载的关键元件。今天我们就来深入了解安森美（onsemi）的MC34151和MC33151这两款高速双MOSFET驱动器。

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产品概述

MC34151和MC33151是专门为需要低电流数字电路以高转换速率驱动大电容负载的应用而设计的双反相高速驱动器。它们采用肖特基钳位双极模拟技术，在恶劣的工业环境中也能提供高性能和高可靠性。这两款器件具有低输入电流，与CMOS和LSTTL逻辑兼容，输入迟滞可实现快速输出切换，且不受输入转换时间的影响。此外，它们还拥有两个高电流图腾柱输出，非常适合驱动功率MOSFET，并且具备带迟滞的欠压锁定功能，可防止在低电源电压下系统出现不稳定运行。

产品特性

独立通道与高输出电流

• 具备两个独立通道，每个通道的图腾柱输出电流可达1.5A，能够满足大多数功率MOSFET的驱动需求。
• 在1000pF负载下，输出上升和下降时间仅为15ns，实现了快速的信号切换。

逻辑兼容性与迟滞特性

• 输入与CMOS/LSTTL逻辑兼容，且具有迟滞功能，输入阈值为1.67V，迟滞为170mV，可确保输出快速切换，避免输入信号过渡时的输出振荡。

欠压锁定与低待机电流

• 带迟滞的欠压锁定功能可防止在低电源电压下系统出现不稳定运行。当VCC从1.4V上升到5.8V的上限阈值时，UVLO会强制驱动输出进入低电平状态，下限阈值为5.3V，迟滞约为500mV。
• 待机电流低，有助于降低系统功耗。

高效高频运行

• 能够在高频下高效运行，增强了与常见开关稳压器控制IC的系统性能。

电气特性

最大额定值

• 电源电压（VCC）最大为20V。
• 逻辑输入电压范围为 -0.3V至VCC。
• 驱动输出的图腾柱灌电流或源电流最大为1.5A，二极管钳位电流最大为1.0A。
• 不同封装的最大功耗和热阻有所不同，如SOIC - 8封装在TA = 50°C时最大功耗为0.56W，热阻为180°C/W；PDIP - 8封装在TA = 50°C时最大功耗为1.0W，热阻为100°C/W。
• 工作结温范围为 -40°C至 +150°C，不同型号的工作环境温度范围有所差异，如MC34151为0°C至 +70°C，MC33151为 -40°C至 +85°C，MC33151V为 -40°C至 +125°C。
• 存储温度范围为 -65°C至 +150°C。
• 静电放电敏感度（ESD）方面，人体模型（HBM）为2000V，机器模型（MM）为200V，带电设备模型（CDM）为1500V。

电气参数

• 逻辑输入方面，输入阈值电压VIH为0.8V至2.6V，VIL为0.8V至1.75V；输入电流在高电平状态（VIH = 2.6V）时最大为500μA，低电平状态（VIL = 0.8V）时最大为100μA。
• 驱动输出方面，不同负载电流下的输出电压有相应的取值范围，如在ISink = 10mA时，VOL最大为1.2V；在ISource = 10mA时，VOH最小为10.5V。输出下拉电阻为100kΩ。
• 开关特性方面，在TA = 25°C、CL = 1.0nF时，逻辑输入到驱动输出上升和下降的传播延迟分别为35ns和36ns，最大为100ns；驱动输出上升时间（10%至90%）在CL = 1.0nF时为14ns，CL = 2.5nF时为31ns；驱动输出下降时间（90%至10%）在CL = 1.0nF时为16ns，CL = 2.5nF时为32ns。
• 总设备方面，电源电流在待机（逻辑输入接地）时最大为10mA，工作（CL = 1.0nF，驱动输出1和2，f = 100kHz）时最大为15mA；工作电压范围为6.5V至18V。

应用信息

输入级

逻辑输入具有170mV的迟滞，输入阈值为1.67V，且对VCC不敏感，可直接与CMOS和LSTTL逻辑家族兼容。输入迟滞可确保输出快速切换，不受输入信号过渡时间的影响。每个输入都有一个30kΩ的下拉电阻，当输入未连接时，相关的驱动输出将处于已知的高电平状态。

输出级

每个图腾柱驱动输出能够提供和吸收高达1.5A的电流，典型导通电阻在1.0A时为2.4Ω。低导通电阻使得在较低的VCC下也能获得高输出电流。每个输出都有一个100kΩ的下拉电阻，当VCC小于1.4V时，可保持MOSFET栅极处于低电平。该器件没有设计过流或热保护，因此必须避免输出短路到VCC或地。此外，MC34151对输出闩锁具有免疫力，驱动输出包含一个内部二极管到VCC，用于钳位正电压瞬变。

欠压锁定

带迟滞的欠压锁定功能可防止在低电源电压下系统出现不稳定运行。当VCC从1.4V上升到5.8V的上限阈值时，UVLO会强制驱动输出进入低电平状态，下限阈值为5.3V，迟滞约为500mV。

功耗计算

电路性能和长期可靠性与芯片温度密切相关，芯片温度的升高与集成电路必须耗散的功率以及从结到环境的总热阻直接相关。计算公式为： [T{J}=T{A}+P{D}left(R{theta JA}right)] 其中，(T{J})为结温，(T{A})为环境温度，(P{D})为功耗，(R{theta JA})为结到环境的热阻。

总功耗由三部分组成： [P{D}=P{Q}+P{C}+P{T}] 其中，(P{Q})为静态功耗，(P{C})为电容负载功耗，(P_{T})为过渡功耗。

静态功耗计算公式为： [P{Q}=V{C C}left(I{C C L}(1-D)+I{C C H}(D)right)] 其中，(I{CCL})为驱动输出低电平状态时的电源电流，(I{CCH})为驱动输出高电平状态时的电源电流，(D)为输出占空比。

电容负载功耗计算公式为： [P{C}=V{CC}left(V{OH}-V{OL}right) C{L} f] 对于MOSFET驱动，电容负载功耗计算公式为： [P{C(MOSFET) }=V{C} Q{g} f] 其中，(V{OH})为驱动输出高电平电压，(V{OL})为驱动输出低电平电压，(C{L})为负载电容，(f)为频率，(Q{g})为栅极电荷。

过渡功耗计算公式为： [P{T}=V{C C}left(1.08 V{C C} C{L} f-8times 10^{-4}right)] 且(P_{T})必须大于零。

布局考虑

高频PCB布局

在设计过程中，高频印刷电路板布局技术至关重要，可防止输出出现过度振铃和过冲。应避免在绕线或插件原型板上构建驱动电路。当驱动大电容负载时，印刷电路板必须包含低电感接地平面，以最小化高接地纹波电流引起的电压尖峰。所有高电流回路应尽可能短，使用粗铜走线以提供低阻抗的高频路径。

元件选择与连接

为了获得最佳驱动性能，建议初始电路设计中包含两个电源旁路电容，用短引线连接，尽可能靠近VCC引脚和地。建议使用低电感的0.1μF陶瓷电容与4.7μF钽电容并联。根据驱动输出负载和电路布局，可能需要额外的旁路电容。

寄生振荡抑制

可能需要串联栅极电阻(R{g})来抑制由MOSFET输入电容和栅极 - 源极电路中的任何串联布线电感引起的高频寄生振荡，但(R{g})会降低MOSFET的开关速度。肖特基二极管(D_{1})可通过防止输出引脚被驱动到地以下，减少由于过度振铃导致的驱动器功耗。

典型应用

MC34151和MC33151的典型应用包括开关电源、DC - DC转换器、电容电荷泵电压倍增器/反相器以及电机控制器等。它们能够大大增强常见开关稳压器和CMOS/TTL逻辑设备的驱动能力。

订购信息

这两款器件有多种封装可供选择，如SOIC - 8和PDIP - 8，且部分型号为无铅封装。具体的订购信息可参考数据手册第10页，同时需要注意部分器件已停产。

总之，MC34151和MC33151是性能出色的高速双MOSFET驱动器，在满足各种应用需求的同时，也需要工程师在设计过程中充分考虑其特性和布局要求，以确保系统的稳定运行。大家在实际应用中是否遇到过类似器件的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。