深入剖析FAN8811：高性能高低侧栅极驱动器的卓越之选

在电子设计领域，栅极驱动器是驱动功率MOSFET等功率器件的关键组件，其性能直接影响到整个电路的效率、速度和可靠性。今天，我们将深入探讨安森美（onsemi）推出的一款高性能高低侧栅极驱动器——FAN8811，了解它的特点、应用以及设计要点。

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一、FAN8811概述

FAN8811是一款专为高压、高速驱动MOSFET而设计的高低侧栅极驱动IC，能够驱动工作电压高达80V的N沟道MOSFET。它集成了驱动IC和自举二极管，具有低延迟时间和匹配的PWM输入传播延迟，进一步提升了器件的性能。

特点

1. 双N沟道MOSFET驱动：能够同时驱动高侧和低侧的N沟道MOSFET，适用于半桥或同步降压配置。
2. 集成自举二极管：为高侧栅极驱动提供自举偏置电源，自举电源电压范围可达100V。
3. 高输出电流能力：具有3A源电流和6A灌电流输出能力，能够快速充电和放电负载电容。
4. 快速开关速度：能够在典型的6ns/4ns上升/下降时间内驱动1nF负载。
5. TTL兼容输入阈值：PWM输入信号（高电平）可以是3.3V、5V或高达VDD逻辑输入，适应各种应用需求。
6. 宽电源电压范围：电源电压范围为7.5V至16V（绝对最大值为18V）。
7. 快速传播延迟时间：典型传播延迟时间为30ns，延迟匹配典型值为2ns。
8. 欠压锁定（UVLO）保护：为驱动电压提供欠压锁定保护，确保器件在合适的电压下工作。
9. 宽工作温度范围：工作结温范围为 -40°C至125°C。
10. 环保设计：这些器件无铅、无卤素/BFR，符合RoHS标准。

典型应用

1. 电信和数据通信电源：为电信和数据通信设备提供高效稳定的电源。
2. 半桥和全桥转换器：用于DC-DC转换，提高电源转换效率。
3. 同步降压转换器：实现高效的降压转换，为负载提供稳定的电压。
4. 双开关正激转换器：适用于需要高功率输出的应用。
5. D类音频放大器：提供高保真的音频放大。

二、引脚连接与功能

引脚分配

引脚编号	引脚名称	描述
1	VDD	逻辑和低侧栅极驱动器电源电压
2	HB	高侧浮动电源
3	HO	高侧驱动器输出
4	HS	高压浮动电源返回
5	NC	无连接
6	NC	无连接
7	HI	高侧栅极驱动器输出的逻辑输入
8	LI	低侧栅极驱动器输出的逻辑输入
9	VSS	逻辑地
10	LO	低侧驱动器输出

功能模块

1. 输入级：基于TTL兼容输入阈值逻辑，独立于VDD电源电压，输入阻抗为100kΩ，提供2.2V上升阈值和1.7V下降阈值。
2. 电平转换：作为高侧输入到高侧驱动器级的接口，参考开关节点（HS），实现对HO输出的控制，并与低侧驱动器实现良好的延迟匹配。
3. 自举二极管：集成高电压自举二极管，为高侧偏置提供电源，阳极连接到VDD，阴极连接到HB，具有快速恢复时间和低电阻值。
4. 欠压锁定（UVLO）保护：高侧和低侧驱动器均具有独立的UVLO保护，监测VDD电源电压和HB自举电压，确保足够的电源电压来正确偏置高低侧电路。
5. 输出级：能够提供3.0A/6.0A的典型灌/源电流，有效充电和放电1nF负载，实现高速开关、低电阻和高电流能力。

三、电气特性

电源部分

• VDD静态电流：典型值为0.17mA，最大值为0.3mA。
• VDD工作电流：在500kHz开关频率下，典型值为1.5mA，最大值为3.0mA。
• HB静态电流：典型值为0.1mA，最大值为0.2mA。
• HB工作电流：在500kHz开关频率下，典型值为1.9mA，最大值为3.0mA。
• VDD UVLO阈值：上升阈值为6.2V至7.4V，典型值为6.8V，滞回值为0.6V。
• HB UVLO阈值：上升阈值为5.5V至7.2V，典型值为6.3V，滞回值为0.4V。

输入逻辑部分

• 高电平输入电压阈值：典型值为2.2V，范围为1.80V至2.50V。
• 低电平输入电压阈值：典型值为1.7V，范围为1.3V至2.0V。
• 输入逻辑电压滞回：典型值为0.5V。
• 输入下拉电阻：典型值为100kΩ。

自举二极管

• 低电流正向电压：在100μA电流下，典型值为0.8V，范围为0.55V至0.8V。
• 高电流正向电压：在100mA电流下，典型值为1.0V，范围为0.8V至1.0V。
• 动态电阻：在100mA电流下，典型值为1.5Ω，范围为0.7Ω至2Ω。
• 二极管关断时间：在IF = 20mA，IREV = 0.5A条件下，典型值为20ns。

低侧驱动器

• 低电平输出电压：在ILO = 100mA时，典型值为0.15V，范围为0.06V至0.15V。
• 高电平输出电压：在ILO = -100mA时，典型值为0.28V，范围为0.16V至0.28V。
• 峰值上拉电流：典型值为3A。
• 峰值下拉电流：典型值为6A。
• LO上升时间：在10%至90%，CLOAD = 1nF条件下，典型值为6ns。
• LO下降时间：在90%至10%，CLOAD = 1nF条件下，典型值为4ns。
• LI低传播延迟：典型值为28ns至43ns。
• LI高传播延迟：典型值为30ns至45ns。

高侧驱动器

• 低电平输出电压：在IHO = 100mA时，典型值为0.15V，范围为0.06V至0.15V。
• 高电平输出电压：在IHO = -100mA时，典型值为0.28V，范围为0.16V至0.28V。
• 峰值上拉电流：典型值为3A。
• 峰值下拉电流：典型值为6A。
• HO上升时间：在10%至90%，CLOAD = 1nF条件下，典型值为6ns。
• HO下降时间：在90%至10%，CLOAD = 1nF条件下，典型值为4ns。
• HI低传播延迟：典型值为28ns至43ns。
• HI高传播延迟：典型值为30ns至45ns。

延迟匹配

• HI关断到LI开启的延迟：典型值为2ns至10ns。
• LI关断到HI开启的延迟：典型值为2ns至10ns。

最小脉冲宽度

HI和LI的最小脉冲宽度典型值为50ns。

四、设计要点

自举电容选择

自举电容的最大允许电压降取决于栅极驱动IC的内部欠压锁定电平以及开关节点HS的源连接电压。可以通过以下公式计算： [ Delta V{HB}=V{DD}-V{f}-V{HB, UVLO } ] 其中，(V{DD})为栅极驱动IC电源电压，(V{f})为自举二极管的静态正向电压降，(V_{HB, UVLO})为HB欠压锁定电平。

自举电容所需的总电荷可以通过以下公式计算： [ Q{BS}=Q{g}+left(I{HBS} × T{ON}right) ] 其中，(Q{BS})为自举电容的总栅极电荷，(Q{g})为MOSFET的栅极电荷，(I{HBS})为高侧栅极驱动IC的静态电流，(T{ON})为MOSFET的导通时间。

最小所需自举电容可以通过以下公式计算： [ C{BOOT.MIN } geq frac{Q{BS}}{Delta V_{HB}} ]

外部自举串联电阻选择

为了减少由寄生电感引起的电压振铃现象，首先要优化PCB布局以减少功率路径的寄生组件，其次可以在自举电容上添加一个串联电阻来减慢高侧MOSFET的导通过渡。推荐选择小于10Ω的电阻。自举峰值电流可以通过以下公式计算： [ I{BOOT(PEAK) }=frac{V{DD}-V{f}}{R{B}} ]

栅极电阻选择

栅极电阻的选择可以减少由寄生电感和电容引起的HS节点的振铃电压，但会限制栅极驱动器输出的电流能力。可以通过以下公式计算栅极电阻限制的电流能力： [ I{OHH}=frac{V{DD}-V{f}-V{OHH}}{R{gate }} ] [ I{OLL }=frac{V{DD}-V{OLL }}{R{gate }} ] [ I{OLH}=frac{V{DD}-V{f}-V{OLH}}{R{gate }} ] [ I{OHL}=frac{V{DD}-V{OHL}}{R{gate }} ] 其中，(I{OHH})为高侧峰值源电流，(I{OLH})为高侧峰值灌电流，(I{OHL})为低侧峰值源电流，(I{OLL})为低侧峰值灌电流，(V{f})为自举二极管正向电压降，(V{OHH})为高侧高电平输出电压降，(V{OLH})为高侧低电平输出电压降，(V{OHL})为低侧高电平输出电压降，(V_{OLL})为低侧低电平输出电压降。

栅极驱动器功率损耗

总功率损耗是栅极驱动器损耗和自举二极管损耗的总和。栅极驱动器损耗包括与开关频率相关的静态和动态损耗、高低侧驱动器的输出负载电容损耗以及内部消耗的电源电压VDD。静态损耗主要由低侧驱动器的电源电压VDD和地之间的静态电流以及高侧驱动器电平转换阶段的泄漏电流引起，动态损耗主要由负载电容的充电和放电以及内部CMOS电路的开关损耗引起。可以通过以下公式估算栅极驱动器的动态损耗： [ P{DGATE }=2 × C{L} × f{S} × V{DD}^{2} ] 自举电路的功率损耗是自举二极管损耗和自举电阻损耗（如果存在）的总和。自举二极管损耗包括充电时的正向偏置功率损耗和反向恢复时的反向偏置功率损耗，与开关频率成正比。

PCB布局指南

由于FAN8811是高速、高电流的高低侧驱动器，为了避免器件在运行过程中出现故障，电流开关路径中的寄生电感应尽可能低。在进行PCB布局时，应遵循以下建议：

• 栅极驱动器应尽可能靠近开关MOSFET。
• VDD电容和自举电容应尽可能靠近器件。
• 为了减少HS节点的振铃电压，MOSFET的高侧源极和低侧漏极之间的间距应尽可能小。
• 暴露焊盘应连接到GND平面，并使用至少四个或更多过孔以提高热性能。
• 避免驱动器输入脉冲信号靠近HS节点。

五、总结

FAN8811是一款性能卓越的高低侧栅极驱动器，具有高速度、高电流、低延迟等特点，适用于多种电源转换和音频放大应用。在设计过程中，合理选择自举电容、外部自举串联电阻和栅极电阻，以及优化PCB布局，可以充分发挥FAN8811的性能，提高电路的效率和可靠性。希望本文对电子工程师在使用FAN8811进行设计时有所帮助。你在使用FAN8811的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。