FAN3XXX系列高速低端MOSFET驱动器概述

FAN3XXX系列是飞兆公司（FAIRCHILD）2007年10月推出的新产品，是一种高速低端MOSFET驱动器系列。该系列各种驱动器与PWM控制器及功率MOSFET组合可设计出各种高频、大功率开关电源。根据驱动器的通道数、输出电流大小，有不同的封装及型号，可满足各种开关电源的大小结构及不同输出功率的需要，如表1所示。

表1 FAN3XXX型号列表

主要特点

FAN3XXX系列主要特点：

1 速度高

FAN3XXX在2.2nF负载时，输入90%到输出10%的时间小于35nS。在传播延迟上比很多竞争者要快。

2 两通道间紧密匹配

FAN3224在4.7nF负载时，在两通道间的差别测量值小于0.5nS（典型值）。两通道并联时有极好的性能。

3 输入结构

FAN3XXX系列有单输入驱动器及双输入驱动器，应用十分灵活。单输入结构如图1所示。例如FAN322X双驱动器，每一通道都有使能端（EN），另一输入端输入反相或同相逻辑。

图1 单输入结构

双输入结构如图2所示。同相工作时将IN-端接L，使用IN+输入；反相工作时将IN+接H，使用IN-输入。其真值表如表2所示。

图2 双输入结构

FAN3100用作同相驱动器时接法如图3所示，其输入及输出波形如图4所示。从图中可看出：在VDD低于欠压锁存（UVL0）阈值时，无输出，只有VDD大于欠压锁存阈值电压时才有输出。

图3  FAN3100做同相驱动器的接法

图4  FAN3100做同相驱动器的输入/输出波形

FAN3100用作反相驱动器时接法如图5所示，其输入及输出波形如图6所示。

图5 FAN3100做同相驱动器的接法

图6 FAN3100做同相驱动器的输入/输出波形

4 CMOS或TTL逻辑电压兼容

FAN3XXX系列的各型号的输入信号是CMOS或TTL逻辑电压兼容，使设计更容易。在TTL电压输入时，其高电压≥2.0V；低电压≤0.8V。CMOS输入阈值与VDD有关，高电压≈0.6VDD；低电压≈0.4VDD。

5 封装尺寸小

在业界中FAN3XXX系列封装尺寸是最小的。2A驱动器采用2mm×2mm的MLP-6封装；4A驱动器采用3mm×3mm的MLP-8封装。另外，它也有SOLC及SOT标准封装。各种封装的尺寸如图7所示。

图7 FAN3XXX的封装

6 工作电压范围宽，其VDD极限值为20V。

典型应用电路

FAN3XXX系列MOSFET驱动器与PWM控制器及功率MOSFET可以组成各种不同结构的开关电源。图8是一种采用2个FAN3100 MOSFET驱动器（IC1、IC2）及3个功率MOSFET（Q1～Q3）组成的隔离式DC/DC转换器电路（图中未画出PWM控制器，仅画出PWM控制器输出的PWM信号）。

图8 隔离式DC/DC转换器电路

在图8中，IC1的IN-接地组成同相驱动电路，输出的PWM信号经驱动器后驱动开关器Q1，Q1的负载是高频变压器T1的原边线圈，高频变压器副边得电。PWM控制器输出的PWM信号同时输入到高频变压器T2，经T2隔离后的PWM信号加到IC2的IN-端（IC2的IN+接地，组成反相驱动器），驱动器IC2的输出去控制变压器副边的MOSFET Q3（Q3作同步整流器）。

在T1副边上+下-时，Q2导通、Q3截止，电压经电感L1、COUT及负载供电，经Q2形成回路。在T1副边上-下+时，Q2截止，IC2输出的高电压使Q3导通。L1储存的能量向负载释放，经Q3形成回路，其工作状态如图9所示。这种同步整流的结构具有较高的转换效率。

图9 工作状态

图8仅画出驱动开关器Q1及驱动同步整流器Q3的部分电路。要输出电压稳定还需要将输出电压经光电耦合器隔离反馈到PWM控制器，改变输出脉冲宽度来调节输出电压，这部分电路未在图8中画出。

驱动器电流参数的选择

FAN3XXX系列低端MOSFET驱动器IC使用较方便、电路简单，在开关电源设计时主要是选择其电流参数。这里先介绍一下为什么MOSFET在工作时需要这样大的电流？

MOSFET是一种栅极电压控制漏极电流的器件，在低端MOSFET中以地为基准，其漏极电流I_D由栅极电压V_G大小来决定（或V_GS大小来决定）。VGS越大,则I_D越大，如图10C所示。这好像与电流没有关系。但在栅极电压建立的过程中，由于在栅极与源极之间存在极间电容C_GS（如图10a所示），驱动器需要提供电流向C_GS充电，充电电流为I_GS（如图10b所示）。当要求MOSFET导通时间很快，则要求充电电流很大。同样，在MOSFET要求很快关断时，C_GS上的电荷要很快通过驱动器放掉，也会形成很大的放电电流。C_GS的容量越大、要求MOSFET的开关速度越高，则在导通及关断过程中的充、放电流越大，这种充放电电流可达几A。

图10a MOSFET中的栅源电容

图10b MOSFET中的充电电流

图10C MOSFET的VGS

在功率MOSFET选定后，在数据资料（data sheet）中可找到总的栅极电荷Q_G值，按Q_G=C_GS×V_DD，求出C_GS值。为满足电源的高频开关要求，尽可能选择Q_G小的MOSFET，不仅可满足高频开关要求，并且使驱动器功耗也较小。C_GS值与MOSFET的输出漏极电流I_D大小及其耐压大小有关，一般为几十nC到一百多nC。

表3给出各种不同QG条件时，在不同驱动器电流时的开关时间。设计者可参照表3选择电流参数。

在开关电源设计时，最大的开关频率是确定的，则开关时间也确定。其次根据选定的开关器，确定其QG，则利用表3可确定需要多大电流的驱动器。

驱动器的电流参数也可用近似的计算方法来计算，其计算公式如下：

开关导通时（输出源电流），I_DVR,SRC≥1.5（QG/t_sw-on）            （1）
开关关断时（输入沉电流），I_DVR,SNK≥1.5（QG/t_sw-off）            （2）

式中，I_DVR，SRC及_IDVR,SNK是驱动器输出源电流或输入沉电流的电流中间值；QG是MOSFET的总栅极电荷（可从MOSFET资料中查到），1.5是实验测定的系数。

驱动器的功耗PDRIVE

驱动器的总功耗为每个驱动器功耗之和，每通道的功耗为：

P_DRIVE=V_DD×Q_G×f_sw      （3）

式中，VDD为驱动器的工作电压，Q_G为MOSFET的总栅极电荷，f_SW为开关频率。

按上式计算出的功耗应小于该驱动器最大允许的功耗。