IR2153：半橋驅(qū)動(dòng)器IC基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用詳解

IR2153是一款由國(guó)際整流器公司（International Rectifier，現(xiàn)為英飛凌科技公司 Infineon Technologies 旗下）生產(chǎn)的自振蕩半橋驅(qū)動(dòng)器集成電路（IC）。它主要用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET和IGBT，尤其是在需要高壓、高頻率、高效率的半橋拓?fù)潆娐分?。由于其?nèi)部集成了振蕩器，IR2153極大地簡(jiǎn)化了半橋變換器的設(shè)計(jì)，使其成為熒光燈鎮(zhèn)流器、緊湊型熒光燈（CFL）、開關(guān)模式電源（SMPS）以及其他各種功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的熱門選擇。

1. IR2153 的核心功能與工作原理

IR2153的核心功能是提供一對(duì)高電平（High-Side）和低電平（Low-Side）輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于控制半橋配置中的兩個(gè)開關(guān)管（通常是MOSFET）。其工作原理基于一個(gè)內(nèi)置的CMOS振蕩器，該振蕩器通過外部連接的電阻（RT）和電容（CT）來設(shè)定工作頻率和占空比。

內(nèi)置振蕩器： IR2153的內(nèi)部振蕩器是一個(gè)非常關(guān)鍵的組成部分。它產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)，作為整個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器的時(shí)鐘。通過改變外部連接到RT/CT引腳的電阻和電容的數(shù)值，可以精確地調(diào)整振蕩頻率和死區(qū)時(shí)間。例如，增大RT或CT會(huì)降低振蕩頻率。

高低側(cè)驅(qū)動(dòng)： IR2153的獨(dú)特之處在于其能夠驅(qū)動(dòng)高側(cè)MOSFET。為了驅(qū)動(dòng)高側(cè)MOSFET，其柵極電壓需要相對(duì)于其源極（而不是地）達(dá)到一個(gè)特定的電壓。在半橋配置中，高側(cè)MOSFET的源極電壓是浮動(dòng)的，它會(huì)隨著半橋輸出點(diǎn)的切換而在高電壓和低電壓之間擺動(dòng)。IR2153通過一個(gè)內(nèi)部的自舉（Bootstrap）電路來解決這個(gè)問題。

自舉電路： 自舉電路是IR2153驅(qū)動(dòng)高側(cè)MOSFET的關(guān)鍵。它由一個(gè)外部快速恢復(fù)二極管（通常是超快恢復(fù)二極管）和一個(gè)自舉電容（CBOOT）組成。當(dāng)?shù)蛡?cè)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，自舉電容通過自舉二極管充電至VCC電壓。當(dāng)高側(cè)MOSFET需要導(dǎo)通時(shí)，IR2153利用自舉電容儲(chǔ)存的電荷，將其輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)（HO）提升到遠(yuǎn)高于VCC的電壓，從而確保高側(cè)MOSFET能夠完全導(dǎo)通。自舉電容的容量選擇對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的正常工作至關(guān)重要，過小可能導(dǎo)致高側(cè)驅(qū)動(dòng)不足，過大則可能影響充電速度。

死區(qū)時(shí)間（Dead Time）： 為了防止半橋上下兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通造成短路（也稱為直通），IR2153內(nèi)部集成了固定的死區(qū)時(shí)間。這意味著在高側(cè)MOSFET關(guān)斷和低側(cè)MOSFET導(dǎo)通之間，以及低側(cè)MOSFET關(guān)斷和高側(cè)MOSFET導(dǎo)通之間，都會(huì)有一個(gè)短暫的時(shí)間間隔，確保一個(gè)MOSFET完全關(guān)斷后另一個(gè)MOSFET才能開始導(dǎo)通。這個(gè)內(nèi)部固定的死區(qū)時(shí)間是IR2153的一大優(yōu)點(diǎn)，它簡(jiǎn)化了外部電路設(shè)計(jì)，提高了可靠性。雖然是固定的，但在實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)固定值通常足以滿足大多數(shù)應(yīng)用需求，避免了復(fù)雜的外部死區(qū)時(shí)間調(diào)整電路。

2. IR2153 的主要特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

• 內(nèi)置自振蕩器： 這是IR2153最顯著的特點(diǎn)，省去了外部振蕩電路，極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了物料成本和PCB面積。

• 高壓操作： IR2153支持高達(dá)600V的高壓操作，使其適用于各種AC-DC和DC-DC功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

• 兼容CMOS和LSTTL輸出： 意味著它能夠與各種微控制器和邏輯電平兼容，便于接口設(shè)計(jì)。

• 獨(dú)立的低側(cè)和高側(cè)輸出： HO和LO輸出引腳提供獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，便于精確控制MOSFET。

• 內(nèi)部集成的死區(qū)時(shí)間： 無需外部死區(qū)時(shí)間設(shè)置，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，并有效防止直通現(xiàn)象。這個(gè)固定死區(qū)時(shí)間通常經(jīng)過優(yōu)化，以提供可靠的開關(guān)性能。

• 欠壓鎖定（UVLO）功能： 當(dāng)VCC電壓低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，IR2153會(huì)停止工作，防止在供電電壓不足時(shí)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)不足而造成損壞。這提高了電路的可靠性和安全性。

• 微功耗啟動(dòng)： 在啟動(dòng)階段，IR2153消耗極低的電流，有利于使用簡(jiǎn)單的啟動(dòng)電阻來對(duì)VCC電容充電，從而實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。

• SOIC和DIP封裝： 提供多種封裝選項(xiàng)，方便不同的PCB布局需求。

3. IR2153 的引腳功能

理解IR2153的引腳功能對(duì)于正確使用它至關(guān)重要。IR2153通常采用8引腳封裝（例如SOIC-8或DIP-8），其典型引腳配置如下：

• VCC (引腳1)： 供電電壓輸入。為IR2153內(nèi)部電路提供電源，通常為10V至20V。需要一個(gè)去耦電容靠近此引腳。

• RT (引腳2)： 振蕩電阻連接引腳。與CT引腳一起，通過外部電阻設(shè)定振蕩頻率和占空比。

• CT (引腳3)： 振蕩電容連接引腳。與RT引腳一起，通過外部電容設(shè)定振蕩頻率和占空比。

• COM (引腳4)： 地線引腳。低側(cè)驅(qū)動(dòng)器的參考地，也是整個(gè)IC的公共地。

• LO (引腳5)： 低側(cè)輸出驅(qū)動(dòng)引腳。連接到低側(cè)MOSFET的柵極。

• VS (引腳6)： 高側(cè)MOSFET的源極引腳。此引腳是浮動(dòng)的，會(huì)隨著半橋輸出點(diǎn)的電壓擺動(dòng)。自舉電容連接在VCC和VS之間。

• HO (引腳7)： 高側(cè)輸出驅(qū)動(dòng)引腳。連接到高側(cè)MOSFET的柵極。

• VB (引腳8)： 自舉電源引腳。連接到自舉電容的另一端，通過自舉二極管連接到VCC。這是高側(cè)驅(qū)動(dòng)器供電的浮動(dòng)電源。

4. IR2153 的典型應(yīng)用電路

IR2153最常見的應(yīng)用是作為半橋逆變器的核心控制器。一個(gè)典型的應(yīng)用電路包括以下幾個(gè)關(guān)鍵部分：

• 電源部分： 為IR2153提供VCC供電，通常需要一個(gè)穩(wěn)壓電源。

• 振蕩器部分： 由RT和CT構(gòu)成，設(shè)定工作頻率。頻率計(jì)算公式大致為 f≈1.4×(RT+75Ω)×CT1 ，其中75歐姆是內(nèi)部電阻。具體的公式應(yīng)參考數(shù)據(jù)手冊(cè)。

• 自舉電路： 由自舉二極管（Dboot）和自舉電容（Cboot）組成，為高側(cè)驅(qū)動(dòng)器提供浮動(dòng)電源。Dboot通常選用快速恢復(fù)二極管，Cboot的容量選擇需要考慮開關(guān)頻率和高側(cè)MOSFET的柵極電荷。

• 半橋功率級(jí)： 由兩個(gè)MOSFET（Q1和Q2）組成，通常是N溝道MOSFET，以半橋形式連接。這兩個(gè)MOSFET的柵極分別由HO和LO驅(qū)動(dòng)。

• 負(fù)載： 連接在半橋輸出點(diǎn)和地之間，可以是變壓器、電感、電容或?qū)嶋H負(fù)載（如燈管）。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還需要考慮以下因素：

• 柵極電阻（Rg）： 在HO/LO引腳和MOSFET柵極之間串聯(lián)一個(gè)電阻，用于限制柵極充電和放電電流，抑制振蕩，并減緩開關(guān)速度，從而減少電磁干擾（EMI）。

• 旁路電容： 在VCC和COM之間放置一個(gè)去耦電容，以濾除電源噪聲，確保VCC的穩(wěn)定性。

• 輸入濾波： 如果IR2153用于交流輸入，可能需要輸入EMI濾波器和整流橋。

5. 設(shè)計(jì)考量與注意事項(xiàng)

在使用IR2153進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面：

• RT和CT的選擇： 根據(jù)所需的開關(guān)頻率和死區(qū)時(shí)間（盡管IR2153死區(qū)時(shí)間固定，但RT/CT會(huì)影響整體周期），查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)選擇合適的RT和CT值。確保其容差在可接受范圍內(nèi)，以保證頻率的穩(wěn)定性。

• 自舉電路設(shè)計(jì)： 自舉二極管的選擇應(yīng)考慮其反向恢復(fù)時(shí)間，應(yīng)選用快速恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管，以確保在半橋高低側(cè)切換時(shí)能夠迅速導(dǎo)通和截止。自舉電容的容量需要根據(jù)高側(cè)MOSFET的柵極電荷量和開關(guān)頻率進(jìn)行計(jì)算，確保有足夠的電荷驅(qū)動(dòng)高側(cè)MOSFET的柵極。通常，Cboot的ESR（等效串聯(lián)電阻）和ESL（等效串聯(lián)電感）也應(yīng)盡可能低。

• MOSFET選擇： 選擇具有適當(dāng)Vds額定值、Id額定值和柵極電荷量（Qg）的MOSFET。Qg值會(huì)影響柵極驅(qū)動(dòng)電流和開關(guān)損耗。通常，低Qg的MOSFET更適合高頻應(yīng)用。

• 布局布線： 良好的PCB布局對(duì)IR2153的性能至關(guān)重要。

• 短而粗的連接： 連接到MOSFET柵極的走線應(yīng)該盡可能短而粗，以減少寄生電感和電阻，從而避免不必要的振鈴。

• 地平面： 使用一個(gè)良好的地平面可以有效降低噪聲和干擾。COM引腳應(yīng)直接連接到功率地的低阻抗路徑。

• 電源去耦： VCC去耦電容應(yīng)盡可能靠近VCC和COM引腳放置。

• 高壓與低壓隔離： 注意高壓側(cè)（VB、HO、VS）和低壓側(cè)（VCC、RT、CT、LO、COM）之間的爬電距離和電氣隔離。

• 熱管理： 盡管IR2153本身的功耗較低，但在驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET時(shí)，由于柵極充放電以及少量?jī)?nèi)部損耗，IC會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。在高溫環(huán)境下或高頻應(yīng)用中，可能需要考慮散熱。

• 啟動(dòng)電流限制： 在某些應(yīng)用中，為了保護(hù)電源和IR2153，可能需要在VCC供電路徑上串聯(lián)一個(gè)限流電阻，尤其是在啟動(dòng)階段。

• 故障保護(hù)： 雖然IR2153內(nèi)置了UVLO，但在更復(fù)雜的應(yīng)用中，可能還需要額外的過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過溫保護(hù)等功能，以提高系統(tǒng)的魯棒性。

6. IR2153 與其他驅(qū)動(dòng)器的比較

IR2153屬于“自振蕩”系列驅(qū)動(dòng)器，與需要外部PWM控制器信號(hào)的“邏輯輸入”驅(qū)動(dòng)器（如IR2110、IR2104等）有所不同。

• 優(yōu)點(diǎn)： IR2153的優(yōu)點(diǎn)在于其集成度高，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低廉。它特別適合那些對(duì)頻率精度要求不是特別高，但追求成本效益和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用，例如照明鎮(zhèn)流器。

• 缺點(diǎn)： 它的缺點(diǎn)是頻率和死區(qū)時(shí)間固定或受限，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)占空比調(diào)節(jié)或頻率調(diào)制，這使得它不適用于需要精確控制輸出電壓或電流的PFC（功率因數(shù)校正）或同步整流等復(fù)雜應(yīng)用。對(duì)于這些應(yīng)用，通常需要使用帶有外部PWM控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器。

7. 總結(jié)

IR2153作為一款高度集成的自振蕩半橋驅(qū)動(dòng)器，憑借其內(nèi)置振蕩器、高壓兼容性、內(nèi)部死區(qū)時(shí)間以及欠壓鎖定等特點(diǎn)，極大地簡(jiǎn)化了半橋功率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。它在熒光燈鎮(zhèn)流器、緊湊型熒光燈、開關(guān)電源、逆變器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通過正確理解其工作原理、引腳功能以及設(shè)計(jì)考量，工程師可以高效地利用IR2153構(gòu)建穩(wěn)定、可靠且具有成本效益的功率轉(zhuǎn)換解決方案。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，IR2153及其系列產(chǎn)品將繼續(xù)在簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。