IR2136引腳詳細說明

一、IR2136芯片概述

IR2136是國際整流器公司（International Rectifier，現(xiàn)屬英飛凌科技）推出的一款高性能三相柵極驅(qū)動集成電路，專為驅(qū)動三相逆變器中的功率MOSFET或IGBT而設(shè)計。該芯片集成了三路高端驅(qū)動和三路低端驅(qū)動，適用于交流感應電機、無刷直流電機（BLDC）、開關(guān)磁阻電機等驅(qū)動系統(tǒng)。IR2136具有高集成度、低功耗、高可靠性等特點，廣泛應用于工業(yè)控制、家電、汽車電子等領(lǐng)域。

IR2136的主要特點包括：

• 高電壓工作能力：最高工作電壓可達600V，適用于高壓應用場景。

• 高驅(qū)動能力：提供高達250mA的驅(qū)動電流，能夠快速驅(qū)動大功率MOSFET或IGBT。

• 內(nèi)置保護功能：包括欠壓鎖定（UVLO）、過流保護（OCP）、故障邏輯鎖定等。

• 自舉供電技術(shù)：通過自舉電路實現(xiàn)高端驅(qū)動，無需額外的隔離電源。

• 低側(cè)和高端輸入隔離：邏輯輸入與功率輸出之間具有高隔離度，適用于微控制器直接驅(qū)動。

• 可編程故障清除延遲：通過外部RC網(wǎng)絡設(shè)置故障清除時間。

• 兼容CMOS和LSTTL邏輯：輸入電平兼容3.3V和5V邏輯，方便與微控制器接口。

二、IR2136引腳功能詳解

IR2136采用28引腳PDIP封裝或SOIC封裝，其引腳功能如下：

1. 電源引腳

• VCC（引腳1）：邏輯電源輸入端，為芯片內(nèi)部邏輯電路和低側(cè)驅(qū)動提供電源。VCC的典型工作電壓為10V至20V，最大不超過25V。VCC還為自舉電路提供充電電源。

• COM（引腳2）：邏輯地端，與VCC共同構(gòu)成芯片的低壓側(cè)電源參考地。所有邏輯輸入信號均以COM為參考。

• VB1、VB2、VB3（引腳3、5、7）：高端浮動電源電壓輸出端。這些引腳通過自舉二極管和自舉電容為高端驅(qū)動提供浮動電源。VBx與VSx之間的電壓差決定了高端驅(qū)動的柵極驅(qū)動電壓。

• VS1、VS2、VS3（引腳4、6、8）：高端浮動電源返回端。這些引腳連接到高端功率MOSFET的源極，作為高端驅(qū)動的參考地。VSx引腳的電壓隨高端MOSFET的開關(guān)狀態(tài)而浮動。

2. 邏輯輸入引腳

• HIN1、HIN2、HIN3（引腳9、10、11）：高端驅(qū)動邏輯輸入端。這些引腳接收來自微控制器的PWM信號，控制高端MOSFET的導通和關(guān)斷。輸入信號為低電平有效（即低電平觸發(fā)導通，高電平觸發(fā)關(guān)斷）。輸入信號需經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形，以提高抗干擾能力。

• LIN1、LIN2、LIN3（引腳12、13、14）：低端驅(qū)動邏輯輸入端。這些引腳同樣接收來自微控制器的PWM信號，控制低端MOSFET的導通和關(guān)斷。輸入信號同樣為低電平有效。

• EN（引腳28）：使能輸入端。高電平有效，當EN引腳為高電平時，芯片正常工作；當EN引腳為低電平時，芯片進入低功耗模式，所有驅(qū)動輸出關(guān)閉。EN引腳可用于實現(xiàn)軟啟動或故障后的系統(tǒng)復位。

3. 驅(qū)動輸出引腳

• HO1、HO2、HO3（引腳27、26、25）：高端驅(qū)動輸出端。這些引腳直接驅(qū)動高端MOSFET的柵極。輸出信號為推挽輸出，能夠提供足夠的驅(qū)動電流。

• LO1、LO2、LO3（引腳24、23、22）：低端驅(qū)動輸出端。這些引腳直接驅(qū)動低端MOSFET的柵極。輸出信號同樣為推挽輸出。

4. 保護功能引腳

• ITRIP（引腳15）：過流檢測輸入端。該引腳接收來自電流檢測電路的電壓信號，當信號超過內(nèi)部設(shè)定的閾值時，芯片判定為過流故障，并關(guān)閉所有驅(qū)動輸出。ITRIP引腳通常通過一個采樣電阻連接到功率地，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

• FAULT（引腳16）：故障輸出端。當芯片檢測到過流、欠壓或其他故障時，F(xiàn)AULT引腳輸出低電平信號，可用于驅(qū)動外部LED或報警電路。FAULT引腳為開漏輸出，需外接上拉電阻。

• RCIN（引腳17）：故障清除時間設(shè)置端。通過外接RC網(wǎng)絡，可以設(shè)置FAULT信號的維持時間。當RCIN引腳的電壓升高到8V時，F(xiàn)AULT信號恢復高電平，故障狀態(tài)被清除。

5. 其他引腳

• SD（引腳18）：軟關(guān)斷輸入端。當SD引腳為高電平時，芯片會以軟關(guān)斷的方式關(guān)閉所有驅(qū)動輸出，避免硬關(guān)斷產(chǎn)生的電壓尖峰。SD引腳通常用于實現(xiàn)過壓保護或短路保護。

• VSS（引腳19）：功率地端。與COM引腳類似，VSS為功率電路的參考地。在某些應用中，VSS和COM可以短接。

• NC（引腳20、21）：無連接引腳。這些引腳在芯片內(nèi)部未連接，用戶可根據(jù)需要選擇是否接地或懸空。

三、IR2136內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

IR2136的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個部分：

1. 邏輯輸入處理電路：

• 輸入信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形，消除輸入信號的噪聲和抖動。

• 輸入信號通過電平轉(zhuǎn)換電路，將CMOS或LSTTL電平轉(zhuǎn)換為芯片內(nèi)部的工作電平。

• 輸入信號經(jīng)過濾波和放大，確保驅(qū)動輸出的穩(wěn)定性和可靠性。

2. 高端驅(qū)動電路：

• 高端驅(qū)動電路采用自舉供電技術(shù)，通過自舉二極管和自舉電容為高端驅(qū)動提供浮動電源。

• 當?shù)投薓OSFET導通時，自舉電容通過自舉二極管充電；當高端MOSFET導通時，自舉電容為高端驅(qū)動提供電源。

• 高端驅(qū)動電路具有過流保護和欠壓鎖定功能，確保高端MOSFET的安全運行。

3. 低端驅(qū)動電路：

• 低端驅(qū)動電路直接由VCC供電，驅(qū)動低端MOSFET的柵極。

• 低端驅(qū)動電路同樣具有過流保護和欠壓鎖定功能。

4. 保護功能電路：

• 欠壓鎖定（UVLO）：當VCC電壓低于設(shè)定的閾值時，芯片自動關(guān)閉所有驅(qū)動輸出，避免因電源不足導致的誤動作。

• 過流保護（OCP）：通過ITRIP引腳檢測電流信號，當電流超過閾值時，芯片關(guān)閉所有驅(qū)動輸出，并輸出FAULT信號。

• 故障邏輯鎖定：當檢測到故障時，芯片鎖定故障狀態(tài)，直到通過RCIN引腳清除故障。

5. 死區(qū)時間控制電路：

• IR2136內(nèi)置死區(qū)時間控制電路，確保高端和低端MOSFET不會同時導通，避免橋臂直通導致的短路故障。

• 死區(qū)時間典型值為200ns至500ns，具體取決于工作條件和負載特性。

四、IR2136典型應用電路

以下是一個基于IR2136的三相無刷直流電機驅(qū)動電路的典型應用示例：

1. 電路組成

• 電源部分：

• 輸入電源：直流24V至48V，通過濾波電容和穩(wěn)壓電路為芯片和功率MOSFET供電。

• 自舉電路：由自舉二極管（如UF4007）和自舉電容（如10μF/50V）組成，為高端驅(qū)動提供浮動電源。

• 功率部分：

• 三相逆變橋：由六個N溝道功率MOSFET（如IRF540N）組成，每相由一個高端MOSFET和一個低端MOSFET構(gòu)成。

• 電流檢測：通過采樣電阻（如0.01Ω/2W）將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸入到ITRIP引腳。

• 控制部分：

• 微控制器：如STM32或DSP，輸出六路PWM信號，分別連接到HIN1-HIN3和LIN1-LIN3引腳。

• 故障指示：通過FAULT引腳驅(qū)動LED或報警電路，指示系統(tǒng)故障。

2. 電路工作原理

• 正常工作模式：

• 微控制器輸出六路PWM信號，控制高端和低端MOSFET的導通和關(guān)斷。

• 自舉電路為高端驅(qū)動提供浮動電源，確保高端MOSFET能夠正常導通。

• 電流檢測電路實時監(jiān)測電機電流，當電流超過閾值時，芯片關(guān)閉所有驅(qū)動輸出，并輸出FAULT信號。

• 故障處理模式：

• 當檢測到過流、欠壓或其他故障時，芯片關(guān)閉所有驅(qū)動輸出，并輸出FAULT信號。

• 用戶可通過RCIN引腳清除故障，或通過EN引腳復位芯片。

3. 電路設(shè)計注意事項

• 自舉電容的選擇：

• 自舉電容的容量需根據(jù)MOSFET的開關(guān)頻率和柵極電荷需求選擇。容量過小會導致驅(qū)動不足，容量過大會影響電路的響應速度。

• 典型值為10μF至22μF，耐壓值需高于電源電壓。

• 自舉二極管的選擇：

• 自舉二極管需具有快速恢復特性和低反向漏電流，以確保自舉電容能夠快速充電。

• 典型型號為UF4007或MUR160。

• 電流檢測電阻的選擇：

• 電流檢測電阻的阻值需根據(jù)電流檢測范圍和功率損耗選擇。阻值過大會導致功率損耗增加，阻值過小會降低檢測靈敏度。

• 典型值為0.01Ω至0.1Ω，功率需根據(jù)實際電流計算。

• 故障清除時間設(shè)置：

• 故障清除時間通過RCIN引腳外接RC網(wǎng)絡設(shè)置。RC時間常數(shù)決定了FAULT信號的維持時間。

• 典型值為幾毫秒至幾十毫秒，具體取決于系統(tǒng)需求。

五、IR2136應用中的常見問題與解決方案

1. 自舉電容電壓不足

• 問題表現(xiàn)：高端MOSFET無法完全導通，導致輸出電壓不足或波形失真。

• 原因分析：

• 自舉電容容量不足，無法提供足夠的電荷。

• 自舉二極管反向漏電流過大，導致電容放電。

• 開關(guān)頻率過高，自舉電容充電時間不足。

• 解決方案：

• 增大自舉電容容量。

• 更換反向漏電流更小的自舉二極管。

• 降低開關(guān)頻率，或優(yōu)化PWM信號的占空比。

2. 過流保護誤觸發(fā)

• 問題表現(xiàn)：系統(tǒng)在正常工作時頻繁觸發(fā)過流保護，導致電機無法正常運行。

• 原因分析：

• 電流檢測電阻的阻值選擇不當，導致正常電流被誤判為過流。

• 電流檢測電路的噪聲干擾，導致信號波動。

• ITRIP引腳的閾值設(shè)置過低。

• 解決方案：

• 重新計算電流檢測電阻的阻值，確保正常電流不超過閾值。

• 在電流檢測電路中增加濾波電容，減少噪聲干擾。

• 通過調(diào)整ITRIP引腳的分壓電阻，適當提高過流閾值。

3. 高端MOSFET發(fā)熱嚴重

• 問題表現(xiàn)：高端MOSFET在運行時溫度過高，可能導致?lián)p壞。

• 原因分析：

• 高端MOSFET的驅(qū)動電壓不足，導致導通電阻增大。

• 高端MOSFET的開關(guān)速度過慢，導致開關(guān)損耗增加。

• 散熱設(shè)計不當，導致熱量無法及時散發(fā)。

• 解決方案：

• 檢查自舉電路的工作狀態(tài)，確保自舉電容和自舉二極管正常。

• 優(yōu)化PWM信號的死區(qū)時間，減少開關(guān)損耗。

• 增加散熱片或風扇，改善散熱條件。

4. 故障信號無法清除

• 問題表現(xiàn)：FAULT信號在故障排除后仍保持低電平，系統(tǒng)無法恢復正常工作。

• 原因分析：

• RCIN引腳外接的RC網(wǎng)絡參數(shù)不當，導致故障清除時間過長或過短。

• 芯片內(nèi)部故障邏輯鎖定，需通過EN引腳復位。

• 解決方案：

• 調(diào)整RC網(wǎng)絡的參數(shù)，確保故障清除時間符合系統(tǒng)需求。

• 通過EN引腳短暫拉低電平，復位芯片。

六、IR2136的選型與替代方案

1. 選型指南

• 工作電壓：根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的VCC范圍（10V至20V）。

• 驅(qū)動能力：根據(jù)MOSFET的柵極電荷需求選擇合適的驅(qū)動電流（IR2136提供高達250mA的驅(qū)動電流）。

• 保護功能：確認系統(tǒng)是否需要欠壓鎖定、過流保護等功能。

• 封裝形式：根據(jù)PCB布局選擇PDIP或SOIC封裝。

2. 替代方案

• IR2130：與IR2136類似，但驅(qū)動能力較低（200mA），適用于小功率應用。

• IR2104：單通道柵極驅(qū)動器，適用于單相逆變器或H橋電路。

• L6384E：意法半導體推出的三相柵極驅(qū)動器，具有類似的保護功能，但引腳排列和功能略有不同。

七、總結(jié)

IR2136是一款高性能的三相柵極驅(qū)動集成電路，廣泛應用于電機驅(qū)動、電源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。其高集成度、低功耗、高可靠性等特點，使其成為工業(yè)控制和家電領(lǐng)域的理想選擇。通過本文的詳細介紹，讀者可以全面了解IR2136的引腳功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理以及典型應用電路，為實際設(shè)計提供參考。

在實際應用中，需根據(jù)系統(tǒng)需求合理選擇外圍元件，優(yōu)化電路設(shè)計，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，需注意自舉電容、自舉二極管、電流檢測電阻等關(guān)鍵元件的選擇，避免常見問題的發(fā)生。通過合理的電路設(shè)計和調(diào)試，IR2136能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，為電機驅(qū)動系統(tǒng)提供高效、可靠的驅(qū)動解決方案。