善用浮動接地非隔離式半橋閘極驅動器

產品設計人員必須平衡多種限制，包含覆蓋區、成本、可靠性、上市時間。其中一項關鍵挑戰是選擇適合現代應用狹小空間所需的電源供應器。

緊湊、高效能功率級依賴快速、可靠的閘極驅動解決方案。包含各種解決方案，從簡單的低側驅動器到適合高電壓環境的全隔離型號。許多設計都很適合採用浮動接地非隔離閘極驅動器。

閘極驅動器可在低功率控制訊號 (通常來自微控制器或脈寬調變 (PWM) 控制器) 與調節能量流的高功率開關之間做為中介。可確保提供乾淨、快速、精確的切換，以最佳化電力傳輸。

選擇合適的閘極驅動器需要評估電壓和電流需求、拓撲、切換頻率。良好匹配的驅動器可提高效率、計時準確度、熱穩定性，這些優點對於高效能、緊湊的系統非常重要。

半橋拓撲的優勢

半橋拓撲方法廣泛用於現代電源轉換，可在緊湊的設計中達到高效率的電壓調節。此拓撲使用兩個高速切換元件 (通常是 MOSFET 或絕緣閘雙極電晶體 (IGBT)) 交替輸入電壓，在隔離設計中饋入變壓器，或在非隔離系統中直接為負載供電。這種拓撲具有優良的效率和熱最佳化潛力，而因此備受重視。

閘極驅動器 IC 是控制這些開關的關鍵元件，可當作控制器和功率級之間的介面。可將 PWM 訊號轉換為大電流驅動訊號，確保高側和低側電晶體進行快速、精準的切換。這種快速、高效率的操作可將能量損失降至最低，並且提高整體系統效能。

在半橋電路中，高側 MOSFET 的源極連接到切換節點，該節點依據切換週期在接地 (0 V) 和輸入電壓 (如 12 V、48 V 等) 之間快速移動。採用浮動接地非隔離閘極驅動器時，高側驅動器會隨著切換節點的電壓而「浮動」，進行乾淨、高效率的轉換。

若不需要隔離，且優先考量緊湊性、速度、效率時，浮動接地非隔離半橋式閘極驅動器是理想的解決方案。這些驅動器可控制高側和低側 MOSFET 開關，消除隔離的複雜性，同時確保精準的切換效能。由於不提供控制邏輯和功率級之間的電流隔離，因此當所有組件共用一個接地系統時，其工作效果最佳。

通常由一個靴帶式電容產生高側 MOSFET 所需的閘極驅動電壓。當低側開關啟用時，此電容會充電；當高側開關啟用時，電容會供電。

低側 MOSFET 導通時，切換節點被拉至接地，可讓小型二極體電容電路從電源軌對靴帶式電容充電。當高側 MOSFET 需要導通時，驅動器使用儲存的電荷驅動閘極，使其電壓高於切換節點，通常高出 10 V 至 15 V。

設計人員必須確保低側開關的導通足夠頻繁，以便對靴帶式電容進行充電。在高工作週期應用中，可能需要採取額外的注意措施，例如選擇正確的電容值並最小化靴帶式二極體上的壓降。

浮動接地非隔離式半橋驅動器透過靴帶式架構和追蹤切換節點電壓，可消除隔離複雜性，同時確保具備強大的高側控制。具有簡單且高效率，因此非常適合高頻切換應用，如降壓和升壓轉換器、同步穩壓器、馬達驅動器、 D 類音訊放大器。

選擇合適的閘極驅動器 IC

選擇合適的閘極驅動器可確保功率級的高效能、可靠、安全運作，特別是在降壓轉換器、馬達驅動器、太陽能系統等高速切換應用中。雖然閘極驅動基本元件應用廣泛，但依據系統要求，有些有些標準成為選擇的關鍵。

例如，在太陽能轉換和電池供電系統中，閘極驅動器必須適應寬廣的輸入電壓變化和改變的負載條件。高側額定電壓需要有足夠餘裕，才能耐受整個電源軌的波動，並且確保長期可靠性。

共模瞬態耐受性 (CMTI) 是另一項重要考量因素。快速切換事件會在高側和低側 MOSFET 之間產生急遽的電壓差，導致雜訊和振鈴。高 CMTI 的閘極驅動器可在電氣雜訊環境中提供更好的穩定性。

峰值驅動電流同樣重要，特別是在高功率應用中。驅動器必須供應足夠的電流，以便快速為 MOSFET 閘極充電並克服寄生電容，進而減少切換損耗並提高熱效能。

最後，失效時間控制在半橋配置中扮演極重要的角色。如果在關閉一個開關和啟動另一個開關之間沒有短暫的延遲，則可能會發生擊穿現象，即兩個 MOSFET 同時導通。許多閘極驅動器採用內建或可調整失效時間設定以避免此問題，並可在改變的負載條件下進行安全、高效率的運作。

ADI 的 LTC706x 系列

浮動接地非隔離半橋驅動器具有簡單和高速切換的特性，因此成為許多設計的最佳解決方案。Analog Devices, Inc. (ADI) 提供一系列功能豐富的高壓元件，專為要求嚴格的應用所設計。

ADI 的 LTC706x 浮動接地非隔離半橋閘極驅動器 (圖 1) 是多功能解決方案，可滿足高速、高壓電源轉換的需求。這些元件適用於從汽車到工業控制的廣泛應用，在緊湊的封裝中提供嚴密的計時控制、擊穿防護，以及強大的驅動強度。

圖 1：ADI 的 LTC706x 浮動接地非隔離半橋驅動器的外型。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

ADI 產品提供一系列選項，可滿足電壓、邏輯、佈局要求，協助設計人員在系統級效能和簡單之間達到適當平衡。所有產品均支援 N 通道 MOSFET，以提供比 P 通道 MOSFET 更低的導通電阻 (RDS_ON)、更快的切換速度、更高的電流處理能力。

兩款元件都支援最大 100 V 電源電壓：

• LTC7060 針對依賴具有三態功能的單一 PWM 輸入系統經過最佳化，能夠從單一控制線獲取高側和低側閘極驅動計時。如此可簡化數位控制器介面，並且為空間受限應用減少引腳數量。三態輸入模式還支援安全高阻抗狀態，在特定故障情況下增加一層容錯能力。若設計人員注重簡潔和緊湊，這是一個不錯的選擇。
• LTC7061 設計用於為高側和低側開關提供獨立 CMOS 或 TTL 邏輯位準輸入的應用。這種雙輸入方法可達到更大的靈活性和計時控制，在失效時間由微控制器或 PWM 控制器外部管理的系統特別有用。若設計人員需要嚴格控制切換行為或實作客製化計時策略，LTC7061 可提供一個更具適應性的介面，並具有控制靈活性，能調節效能。

針對輸入電壓超過 100 V 的應用 (如工業馬達驅動器、汽車 48 V 軌或乙太網路供電基礎設施)，設計人員可以利用以下兩種支援 140 V 最大電源電壓的選項：

• LTC7063 具有三態 PWM 輸入，可透過單一輸入訊號控制高側和低階 MOSFET。這種配置簡化控制介面，由 PWM 引腳依據電壓位準決定 MOSFET 的狀態。設計人員可能會傾向使用這種高功率應用，因為可以受益於簡化的控制介面、減少的引腳數，以及密集 PCB 上最小化的訊號路由複雜性。其中一個 LTC7063 的實際應用範例是含遠端負載的 2:1 降壓轉換器設計 (圖 2)。此配置採用高達 80 V 的輸入電源供電，可將一半的輸入電壓 (½ V_IN) 輸送至最大 5 A 的負載。

圖 2：使用 LTC7063 浮動接地非隔離半橋閘極驅動器，含遠端負載的降壓轉換器。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

• LTC7066 接受用於高側和低階驅動器的獨立 CMOS/TTL 邏輯位準輸入，為每個 MOSFET 提供獨立的控制訊號。如此可達到精準和靈活的控制，讓設計人員善用計時、失效時間、切換行為。因此成為具備精細調整數位控制的系統之理想選擇，例如使用高效能數位控制器或 FPGA 的系統。

無論是在低側還是高側環境中運作，此系列中的每個元件都包含必要的保護和調整參數，可協助設計人員從功率級中取得最大效能。

每款產品都提供自適性擊穿保護，防止高側和低階 MOSFET 同時導通。此外，每個元件都可調整失效時間，允許設計人員微調切換轉換之間的延遲，可將損失降至最低並避免交叉傳導，且不犧牲效率。欠壓鎖定 (UVLO) 是另一個常見功能，可確保閘極驅動器僅在電源電壓的安全閾值內工作。

效能方面，LTC706x 元件均提供強大的閘極驅動阻抗值，典型值為 1.5 Ω 上拉和 0.8 Ω 下拉。因此可以快速進行閘極充電和放電，對高速應用中的快速切換、緊密計時控制、減少切換損耗非常重要。

對於不適用傳統靴帶式方法的高工作週期應用，設計人員可以評估替代的閘極驅動技術。必須在複雜性、效率、成本之間進行權衡。例如，隔離式閘極驅動器運用變壓器或數位隔離器，提供獨立的閘極驅動電壓，因此無需靴帶式充電機制，而是由直接偏壓電源提供與切換週期不相關的穩定閘極驅動電壓。

結論

高功率應用重視速度、效率、緊湊的設計，浮動接地非隔離半橋閘極驅動器為控制高側和低階 MOSFET 提供最佳解決方案。這些驅動器運用靴帶式電路產生必要的閘極驅動電壓，可消除隔離設計的複雜性，同時保持精準的切換效能。ADI 的 LTC706x 產品系列提供多功能解決方案，可滿足高速、高壓電源轉換的需求。