1）窄脈寬的來源

驅動芯片在各種電力電子系統中有著廣泛的應用，例如整流器、DC-DC變換器、逆變器和變頻器等，其工作頻率和占空比范圍在不同系統中各不相同。

在常規整流器的PFC部分，根據輸入電壓的范圍不同，其下管的占空比可以在0%到100%之間變化；

在常見的DC-DC變換器中，開機時通常會有緩啟功能，其輸出脈寬會從零開始逐步增大；另外，當輸出負載或輸入電壓發生瞬態跳變時，輸出會出現瞬態變化，系統環路會根據輸出電壓的變化來調整驅動器的輸入脈寬，在調整過程中，可能出現極大或極小的輸出脈寬；

在橋式逆變器中，當輸出電壓達到最大或最小峰值時，也可能出現極大和極小的輸出脈寬。

圖1 正負向窄脈寬（圖源：納芯微）

如果這些極大或極小脈寬沒有得到有效限制，可能會影響驅動器的穩定工作；嚴重情況下甚至會導致驅動器或系統失效。

2）正負窄脈寬對驅動芯片的影響

下圖2所示，是一種常見的MOSFET驅動電路，虛線框內為一個輸出通道的結構示意圖，其輸出采用PMOS+NMOS結構。驅動器在控制功率管MOSFET M1開通和關斷時，會對功率MOSFET M1的柵極拉出和灌入電流。在窄脈寬開通情況下，驅動器收到關斷指令會將MOSFET M1關斷，此時MOSFET M1的開通過程還沒有完成，驅動器的輸出仍然維持在較高的電流，當該電流突然變化，在PCB走線寄生電感和驅動器內部寄生電感的共同作用下，會在驅動器的輸出引腳產生很大的電壓應力，該應力可能導致芯片失效。

圖2 常見功率MOSFET驅動電路（圖源：納芯微）

為了分析和驗證，將MOSFET的門極輸入電容采用電容C1來代替，如下圖3所示。

圖3 實驗簡化電路（圖源：納芯微）

考慮到PCB和芯片內部的寄生電感，其等效電路如下圖4所示，其中L1、L4和L5為芯片內部寄生電感（Lbonding），L2和L3為PCB上的寄生電感（LPCB）。

圖4 等效電路（圖源：納芯微）

? 下面將對不同脈寬下驅動器的應力產生和影響進行簡要介紹。

1. 正向窄脈寬的狀態分析

t0~t1期間，驅動芯片內部的NMOS M3導通，PMOS M2關斷，OUT輸出為低，此時驅動回路中的Isrc和Isnk電流均為零；

t1時刻，NMOS M3關斷，PMOS M2導通，OUT輸出拉高，給負載電容C1充電，Isnk電流為零；

t2時刻，PMOS M2關斷，NMOS M3導通，OUT輸出被拉低，此時驅動電流Isrc不為零。該電流在芯片內部寄生電感和PCB走線寄生電感的共同作用下，對PMOS M2和NMOS M3的寄生輸出電容進行充放電，從而導致OUT出現負向過沖電壓。驅動器內部輸出Pad的電壓應力可以用如下公式(1)進行估算。

（圖源：納芯微）

其中各參數的定義如下：

VGate: MOSFET的柵極電壓

Lbonding：IC內部的鍵合線產生的寄生電感，通常約為5nH

LPCB：驅動器輸出引腳到柵極的PCB引線寄生電感

RG：MOSFET的柵極驅動電阻

表1 不同脈寬狀態分析（圖源：納芯微）

2. 正常脈寬的狀態分析

t0~t1期間，驅動芯片內部NMOS M3導通，PMOS M2關斷，OUT輸出為低，驅動回路中Isrc和Isnk電流為零；

t1時刻，NMOS M3關斷后，PMOS M2導通，OUT輸出拉高，負載電容C1充電，當電容C1充滿電后，Isrc恢復到0，Isnk電流保持為零；

t2時刻，PMOS M2關斷后，NMOS M3開通，OUT輸出被拉低，負載電容C1放電，當電容C1放電結束后，Isnk電流恢復到零；

OUT輸出轉換過程中，lsrc或Isnk都是由零上升或下降到峰值，然后恢復到零，OUT輸出沒有明顯的正向或負向過沖電壓。

3. 負向窄脈寬的狀態分析

t0~t1期間，驅動芯片內部PMOS M2導通，NMOS M3關斷，OUT輸出為高，驅動回路中Isrc和Isnk電流為零；

t1時刻，NMOS M3導通，OUT輸出拉低，負載電容C1放電；

t2時刻，NMOS M3關斷，PMOS3開通，OUT輸出被拉高，此時驅動回路中電流Isnk不為零，該電流在芯片內部的寄生電感和PCB走線的寄生電感的共同作用下，對PMOS M2和NMOS M3的寄生輸出電容進行充放電，導致OUT輸出出現顯著的正向過沖電壓。

?實際電路驗證

為了驗證窄脈寬的影響，本實驗選擇了一款最大額定電壓為20V的驅動芯片，并按照上圖3所示的實驗電路進行測試。

實驗中，芯片供電電壓設置為15V，負載電容C1為27nF，輸入信號頻率為100kHz，脈沖寬度分別為20ns、2μs和9.98μs（對應20ns負向窄脈寬）。

在相同脈寬下，通過調整驅動電阻R1的大小，來改變開通和關斷時的驅動電流和電流變化率，得到實驗結果如下所示，圖中黃色線條表示輸入信號，綠色線條表示輸出信號。

表2 實際電路驗證結果（圖源：納芯微）

如上結果所示，當驅動電阻為1Ω時，20ns的正向窄脈寬會導致-9V的負向過沖；同樣，20ns的負向脈寬會導致27.4V的正向過沖，超過了芯片的額定值，會存在失效風險。正常脈寬下，OUT輸出沒有正負過沖現象。此外，還可以看出，在相同脈寬輸入時，驅動電流越大，輸出腳的正向或負向電壓應力越高；因此減小驅動電流可以有效減小窄脈寬產生的正負過沖電壓。

3）解決方案和建議

通過上面的分析和驗證可以看出窄脈寬下過大的驅動電流會對輸出應力產生嚴重影響。系統應用中為了避免驅動器輸出應力超標，建議客戶從以下幾個方面進行優化和解決。

PCB布局時盡量將驅動器與功率管就近放置，減小驅動器輸出引腳到功率管門極之間的走線電感。

驅動器的供電電容盡可能靠近芯片的電源引腳，且同層放置，減小因過孔和走線產生的寄生電感。

在系統應用中，對最大和最小驅動輸出脈寬進行限制，確保開通和關斷前一刻驅動輸出電流已降為零，避免輸出出現過大的正向或負向過沖電壓。

適當調整驅動電阻，減小窄脈寬驅動回路中的電流和電流變化率。

審核編輯 黃宇