基于对IR2110初认识

IR2110原理介绍22210720122方祎摘要：本文主要从三个方面简要介绍IR2110的相关原理。首先，针对IR2110的设计参数进行调研；其次，点明IR2110的工作原理；最后，给出IR2110的典型电路应用设计。关键词：IR2110,基本原理，设计参数，应用设计1IR2110设计参数简介IR2110是美国国际整流器公司[1]（InternationalRectifierCompany）于1990年左右开发并且投放市场、至今独家生产的大功率MOSFET专用驱动集成电路。IR2110的成功研制，使得MOSFET驱动电路设计极度简化，同时具备完善的电路保护功能，因而它的出现可以大幅地提升控制系统的可靠性并且缩小电路板的尺寸。IR2110自举技术(自举电路也称升压电路)利用自举升压二极管以及自举升压电容等电路元件，将电容放电电压与电源电压进行叠加，从而促使电压升高，某些电路升高的电压值甚至可以达到数倍电源电压。自举二极管则是利用其单向导电性完成电位的叠加自举。当二极管处于导通状态时，电容充电到U1；当二极管处于截止状态时，电路通过电容放电时U1与电路串联从而进行叠加自举，同时输出两路驱动信号，驱动逆变桥中高压侧与低压侧MOSFET。其内部为自举工作设计悬浮电源，其可以保证IR2110直接用于母线电压为4-500V的系统以驱动功率MOSFET。同时器件本身允许驱动信号的电压上升率达至±50V/μs。芯片自身具备整形功能，能够实现无论输入信号前后沿如何陡峭，均可保证加到被驱动MOSFET栅极上的驱动信号前后沿非常陡峭，因而可以极大地减少被驱动功率器件的开关时间，降低开关损耗。而IR2110本身的功耗极小，所以可以极大地减小栅极驱动电路的电源电量，从而可以有效减小栅极驱动电路的体积以及尺寸。当其工作电源电压为15V时，其功耗仅为1.6mW。IR2110的合理设计，使得其输入级电源与输出级电源可以应用不同的电压值，从而保证其输入与CMOS或者TTL电平兼容，而输出具备较宽的驱动电压范围（5-20V）。同时，允许逻辑地与工作地之间有-5到+5V的电位差。在IR2110内部，不但集成有独立的逻辑电源以实现与用户脉冲匹配，而且集成有滞后和下拉特性的施密特触发器作为输入级，保证当驱动电路电压过小时封锁驱动信号，防止被驱动功率MOS器件退出饱和区进入放大区而损坏电子元件。IR2110设计的完备性，使得其本身可以对于输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证加到被驱动的同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互锁时间间隔，能够防止被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通，防止直通短路的危险。IR2110的的最高工作频率较高，内部对于信号的延时很小。对于双通道而言，其典型开通时延为120ns，而关断时延为94ns，且两个通道之间的时延误差不超过±10ns，因而决定IR2110可以用来实现最高工作频率大于1MHz的门极驱动。IR2110的输出级采用推挽结构(推挽结构指两个三极管分别受两个互补信号的控制，在其中一个三极管导通的时候另外一个截止)来驱动功率MOSFET，输出最大的驱动电流为2A，且开关速度较快[2]。当所驱动的功率MOS器件的栅极等效电容为1000pF时，该开关时间的典型值为25ns。IR2110原理图见图1，其内部集成有一个逻辑信号输入级及两个独立的、分别以高电压、低电压为基准的输出通道，它的主要构成有三个独立的施密特触发器、两个RS触发器、两个Vdd/Vcc电平转换器(TTL、CMOS、ECL等电路的高低电平阀值不同，他们之间逻辑连接需要电平转换；另外接口与接口之间，如RS232与485之间，USB与串口之间等等，由于这些接口协议里面定义的电平不同，所以也需要进行电平转换。)、一个脉冲放大环节、一个脉冲滤波环节、一个高压电平转换网络及两个或非门、六个MOS场效应晶体管、一个具有反相输出的与非门、一个反向器和一个逻辑网络[3]。图1IR2110的原理图2IR2110的工作原理IR2110的工作原理可以简述如下：两个输出通道（上通道及下通道）的控制脉冲通过逻辑电路与输入信号相对应，当保护信号（SD）输入端为低电平时，同相输出的施密特触发器输出为低电平，两个RS触发器的置位信号无效，两个或非门的输出跟随HIN及LIN变化；而当SD端输入为高电平时，因施密特触发器输出高电平，两个RS触发器置位，两或非门输出恒为低电平，HIN及LIN输入信号无效，此时即使SD变为低电平，但由于RS触发器由Q端维持高电平，两或非门输出将保持低电平，直到施密特触发器输出脉冲的上升沿到来，两个或非门才因RS触发器翻转为低电平而跟随HIN及LIN变化。由于逻辑输入级中的施密特触发器具有一定的滞后，因而整个逻辑输入级具有良好的抗干扰能力，并可接受上升时间较长的输入信号，再则逻辑电路以其自身的逻辑电源为基准，这就决定逻辑电源可用比输出电源电压低得多的电源。为将逻辑信号电平转变为输出驱动信号电平，片内设置两个抗干扰性能很好的Vdd/Vcc电平转换电路，该电路的逻辑地电位（Vss）和功率电路地电位（COM）之间允许有+/-5V的额定偏差，因此决定逻辑电路不受输出驱动开关动作而产生的耦合干扰的影响。集成于片内下通道内的延时网络实现两个通道的传输延时，此种结构简化控制电路时间上的要求。两个通道分别应用两个相同的推挽式低阻场效应晶体管，该两个场效应晶体管分别有两个N沟道的MOSFET驱动，因而其输出峰值电流可达2A以上。由于这种推挽式结构，所以驱动容性负载时上升时间比下降时间长，这一特征非常适宜功率驱动电路应用，这是由于慢慢导通的MOSFET会减小二极管的反向恢复电流，但会增大损耗[4]。对于上通道，开通和关断脉冲分别由HIN的上升和下降沿触发，用以驱动电平转换器，转换器接着又对工作于悬浮电位上的RS触发器进行置位或复位，这便是以地电位为基准的HIN信号的电平转换为悬浮电位的过程。由于Vs端快速dV/dt瞬变产生的RS触发器的误触发可以通过一个鉴别电路与正常的下拉脉冲有效地区别开来，这样，上通道基本上可承受任意幅值的dV/dt值，并保证上通道的电平转换电路即使在Vs端电压降到比COM端还低4V时仍能正常工作。对于下通道，由于正常时SD为低电平、Vcc不欠压，所以施密特触发器的输出跟随LIN而变化，此信号经下通道中的Vdd/Vcc电平转换器转换后加给延时网络，由延时网络延时一定的时间后加到与非门电路，其同相和反向输出分别用来控制两个互补输出级中的低阻场效应晶体管驱动级中的MOS管。当Vcc低于电路内部整定值时，下通道中的欠压检测环节输出，在封锁下通道的同时封锁上通道的脉冲产生环节，使整个芯片的输出被封锁；而当Vb欠电压时，则上通道中的欠电压检测环节输出仅封锁上通道的输出脉冲。IR2110的典型应用连接图见图2。通常，它的输出级的工作电源是一悬浮电源，这是通过一种自举技术由固定的电源得来的。充电二极管VD的耐压能力必须高于母线的峰值电压。为减小功耗，推荐采用快速恢复的二极管。图2IR2110典型连接图为向需要开关的容性负载提供瞬态电流，应用中应在Vcc和COM间、Vdd和Vss间连接两个旁路电容，这两个电容及Vb和Vs间的储能电容都要与器件就近连接。建议Vcc上的旁路电容用一个0.1μF的陶瓷电容和一个1μF的胆电容并联，电源Vdd上有一个0.1μF的陶瓷电容足矣。功率的MOSFET或IGBT可在输出处串一个栅极电阻，栅极电阻的值依赖于电磁兼容（EMC）的需要、开关损耗及其最大允许dV/dt值。由于电平转换损耗通常比漏电损耗要大得多，因而静态损耗通常可忽略。实验证明：当VB为定值时，对于容性负载来说，在一定的工作温度下，随着被驱动的MOSFET或IGBT工作开关频率的提高，在固定的高压母线电压VH下，开关损耗值将线性增大，并且随被驱动的MOSFET或IGBT工作电路中母线电压的提高，开关损耗亦增大，并且随着容性负载电容值的增大而增大。实际上，在电平转换期间，Vs是变化的。自举电容C依赖于开关频率，占空比和功率MOSFET或IGBT栅极的充电需要。应注意的是电容两端电压不允许低于欠电压封锁临界值，否则将产生保护性关断。具体说来，自举电容C的大小取决于MOSFET的门极充电电荷、最大导通时间以及最小导通时间。3IR2110驱动电路设计IR2110是一种高压高速功率MOSFET驱动器，拥有独立的高端和低端输出驱动通道，其内部功能原理框图如图3所示。它包括输入/输出逻辑电路、电平移位电路、输出驱动电路欠压保护和自举电路等部分。各引出端功能分别是：1端(LO)是低通道输出；2端(COM)是公共端；3端(VCC)是低端固定电源电压；5端(US)是高端浮置电源偏移电压；6端(UB)是高端浮置电源电压；7端(HO)是高端输出；9端(VDD)是逻辑电路电源电压；10端(HIN)是高通道逻辑输入；11端(SD)是输入有效与否的选择端，可用来过流过压保护；12端(LIN)是低通道输入；13端(VSS)是逻辑电路的地端[5]。图3IR2110内部功能原理框图如图3所示，在BUCK变换器中只需驱动单个MOEFET，因此仅应用IR2110的高端驱动，此时将12端(LIN)低通道输入接地、1端(LO)低通道输出悬空。5端(US)和6端(UB)间连接一个自举电容C1，自举电容通常为1μF和0.1μF并联使用。正常工作时，电源对自举电容C1的充电是在续流二级管D1的导通期间进行。此时，MOEFET截止，其源极电位接近地电位，+12v电源通过D2给C1充电，使C1上的电压接近+12v，当MOEFET导通而D1截止时，C1自举，D2截止，C1上存储电荷为IR2110的高端驱动输出提供电源。实际应用中，逻辑电源VDD接+5V，低端固定电源电压VCC接+12V；对驱动电路测试时需将VS端接地。自举电容C1的值不能太小，否则其上的自举电压达不到12V，驱动脉冲的幅值不够。在功率变换装置中，根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。问题采用一定电压的方波驱动全桥的4个MOSFET，可以让这个方波经过IR2110，再去驱动MOSFET，请问此时的IR2110的作用是什么？可以直接利用方波驱动MOSFET么？IR2110的低端输出端输出的是高电平还是低电平？除IR2110芯片还有什么高压全桥驱动芯片?参考文献[1]楚斌.IR2110功率驱动集成芯片应用[J].电子工程师,2004(10):33-35.[2]孙鸿祥,郑丹,祝典.基于IR2110的驱动电路应用和设计技巧[J