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ZHCSRY5A april 2023 – august 2023 UCC14241-Q1

PRODUCTION DATA

封裝選項(xiàng)

機(jī)械數(shù)據(jù) (封裝 | 引腳)

DWN|36
- MPSS132

散熱焊盤機(jī)械數(shù)據(jù) (封裝 | 引腳)

訂購(gòu)信息

zhcsry5a_oa

12.2.2.1 電容器選型

UCC14241-Q1 器件提供隔離式輸出 VDD-VEE 作為其主輸出。該器件還使用 VDD-VEE 作為其電源，提供了另一個(gè)輸出 COM-VEE。由于兩個(gè)輸出都與輸入隔離，并且共用 VEE 作為公共參考點(diǎn)，因此 UCC14241-Q1 輸出可配置為兩個(gè)正輸出、兩個(gè)負(fù)輸出或一正一負(fù)兩個(gè)輸出。UCC14241-Q1 輸出也可用作單個(gè)正輸出或單個(gè)負(fù)輸出。

當(dāng)模塊配置為一正一負(fù)兩個(gè)輸出時(shí)，務(wù)必要正確選擇輸出電容比 C_OUT2 和 C_OUT3，來(lái)優(yōu)化調(diào)節(jié)并避免導(dǎo)致過(guò)壓或欠壓故障。

表 12-2 計(jì)算出的電容器值

電容器	值 (μF)	說(shuō)明
C_IN	10 + 0.1	在 VIN 引腳附近并聯(lián)放置一個(gè) 10μF 和一個(gè) 0.1μF 高頻去耦電容器。當(dāng)從電壓源到 VIN 引腳的串聯(lián)阻抗較大時(shí)，可以使用大于 10uF 的電容來(lái)減少電壓紋波。
C_OUT1	2.2+ 0.1	添加一個(gè) 2.2μF 和一個(gè) 0.1μF 電容器，用于對(duì) (VDD–VEE) 進(jìn)行高頻去耦。應(yīng)靠近 VDD 和 VEE 引腳放置。可以使用大于 2.2uF 的電容來(lái)降低輸出電壓紋波。
C_OUT1B	請(qǐng)見下方	大容量去耦輸出充電電容器需放置在柵極驅(qū)動(dòng)器引腳旁邊。C_OUT2 與 C_OUT3 的電容比對(duì)于在充電或放電開關(guān)周期內(nèi)優(yōu)化雙路輸出分壓器精度非常重要；而 C_OUT1B 電容器用于最大程度地減小總電容，包括 C_OUT1B、C_OUT2 和 C_OUT3 電容值。
C_OUT2	請(qǐng)見下方
C_OUT3	請(qǐng)見下方

輸出電容器去耦對(duì)于實(shí)現(xiàn)理想的柵極驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)非常重要。通過(guò)降低充電/放電路徑中的寄生阻抗，可實(shí)現(xiàn)良好的高頻去耦效果。使用具有低 ESR 和低 ESL 的陶瓷電容器以及盡可能減小布線阻抗很重要。

如圖 12-3 所述，UCC14241-Q1 的 V_VDD-VEE 輸出引腳需要一個(gè)去耦電容器 C_OUT1，用于高頻去耦。然而，柵極驅(qū)動(dòng)器引腳上需要 C_OUT2 和 C_OUT3，用于 V_VDD-COM 和 V_VEE-COM 去耦。C_OUT1 和 C_OUT2/C_OUT3 組合之間的阻抗可防止 C_OUT1 協(xié)助柵極驅(qū)動(dòng)器的高頻去耦，從而要求 C_OUT2 和 C_OUT3 接受滿載。阻抗可能來(lái)自 PCB 布線、插座連接、EMI 濾波器或鐵氧體磁珠等。這會(huì)導(dǎo)致 C_OUT2（尤其是 C_OUT3）相對(duì)較大，從而實(shí)現(xiàn)較小的壓降。

圖 12-3 具有 C_out1、C_out2 和 C_out3 的雙路輸出原理圖

通過(guò)在 C_OUT2 和 C_OUT3 旁邊的柵極驅(qū)動(dòng)器引腳處加入一個(gè) V_VDD-VEE 的 C_OUT1B 電容器，可降低所需的 C_OUT2 和 C_OUT3 電容，如圖 12-4 所示。C_OUT1B 可協(xié)助 C_OUT2 和 C_OUT3 的去耦總電容；從而降低實(shí)現(xiàn)所需壓降需要的總電容 (C_OUT1B + C_OUT2 +C_OUT3)。圖 12-5 顯示，當(dāng) C_OUT1B 從“無(wú)”增加到更高的 C_OUT1B 值時(shí)，C_OUT2 和 C_OUT3 顯著減少，總凈電容減少，直至達(dá)到收益遞減點(diǎn)（“拐點(diǎn)”），即任何額外的 C_OUT1B 都會(huì)使 C_OUT2 和 C_OUT3 降低幅度相對(duì)較小，并開始使總凈電容顯著增加。使用最小總凈電容下的最佳 C_OUT1B、C_OUT2 和 C_OUT3 值，有利于減小輸出電容器尺寸和降低 BOM 成本。

圖 12-4 具有 C_out1、C_out1B、C_out2 和 C_out3 的雙路輸出原理圖

圖 12-5 輸出電容隨 C_out1B 選擇的變化

為了計(jì)算 C_OUT1B、C_OUT2 和 C_OUT3，我們計(jì)算了等效 (VDD-COM) 電容，該電容等于 C_OUT1B 和 C_OUT3 與 C_OUT2 并聯(lián)的串聯(lián)電容。將調(diào)整該等效 (VDD-VEE) 電容的大小，以限制電源開關(guān)（SiC 或 IGBT）柵極電荷開啟時(shí)的預(yù)定 (VDD-COM) 放電壓降。

方程式 1.

C_{{(VDD-COM)}_{EQ}} = \frac{C_{OUT1B} × C_{OUT3}}{C_{OUT1B} + C_{OUT3}} + C_{OUT2}

求解 V_VDD-COM 上由負(fù)載瞬態(tài)引起的可接受壓降，?V_{(VDD-COM)_droop}

方程式 2.

C_{{(V D D - C O M)}_{E Q}} = \frac{Q_{g}}{{? V}_{(V D D - C O M)_d r o o p}}

C_OUT2 與 C_OUT3 之比定義為 K₂₃ 的系數(shù)，它是分壓器分壓比與差分電流之比的乘積。分壓器分壓比源于兩個(gè)電容器的串聯(lián)配置。分流比是根據(jù)流經(jīng)兩個(gè)電容器的充電電流計(jì)算得出。I_{MAX_POWER} 是突發(fā)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)電源模塊的最大瞬時(shí)電流，可通過(guò)將 25°C T_A 下數(shù)據(jù)表 SOA 曲線上的最大功率除以 V_VDD-VEE 來(lái)獲得。I_VDD-COM 是 VDD 和 COM 之間的總靜態(tài)電流。以柵極驅(qū)動(dòng)器為例，I_VDD-VEE 是不進(jìn)行開關(guān)時(shí)的電流消耗。I_COM-VEE 是 COM 和 VEE 之間的總靜態(tài)電流。基于 KCL，在突發(fā)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)對(duì) C_OUT2 進(jìn)行充電的差分電流為 (I_{MAX_POWER} - I_VDD-COM)，而對(duì) C_OUT3 進(jìn)行充電的差分電流為 (I_{MAX_POWER} - I_COM-VEE)。

方程式 3.

C_{O U T 3} = C_{O U T 2} \times K_{23}

其中

方程式 4.

K_{23} = \frac{V_{(V D D - C O M)} \times (I_{M A X_P O W E R} - I_{C O M - V E E})}{V_{(C O M - V E E)} \times (I_{M A X_P O W E R} - I_{V D D - C O M})}

接下來(lái)，將上述 C_OUT3 表達(dá)式插入方程式 1，我們會(huì)得到

方程式 5.

\frac{Q_{g}}{{? V}_{(V D D - C O M)_d r o o p}} = \frac{C_{O U T 1 B} \times (C_{O U T 2} \times K_{23})}{C_{O U T 1 B} + (C_{O U T 2} \times K_{23})} + C_{O U T 2}

接近負(fù)載點(diǎn)的總?cè)ヱ铍娙?(C_{OUT_Total}) 是 C_OUT1B、C_OUT2 和 C_OUT3 的總和。目標(biāo)是找到最小的 C_OUT1B，以盡可能降低 C_{OUT_Total}，從而節(jié)省 BOM 成本和空間，同時(shí)保持所需的負(fù)載瞬態(tài)性能。可通過(guò)求解 C_{OUT_Total} 的偏導(dǎo)數(shù)（等于 0）來(lái)計(jì)算最優(yōu) C_OUT1B。

方程式 6.

\frac{d C_{O U T_T o t a l}}{d C_{O U T 1 B}} = \frac{d}{d C_{O U T 1 B}} (C_{O U T 1 B} + C_{O U T 2} + C_{O U T 3}) = 0

將上述 C_OUT3 和 C_OUT2 表達(dá)式包含在方程式 6 中，最優(yōu) C_OUT1B 的推導(dǎo)公式為

方程式 7.

C_{O U T 1 B} = \frac{K_{23} \times Q_{g} \times ({K_{23}}^{3} + \sqrt{{K_{23}}^{2} + K_{23} + 1} + {K_{23}}^{2} \times \sqrt{{K_{23}}^{2} + K_{23} + 1} - 1)}{{? V}_{(V D D - C O M)_d r o o p} \times {(K_{23} + 1)}^{2} \times ({K_{23}}^{2} + K_{23} + 1)}

之后，求解方程式 5，包括方程式 7，C_OUT2 可以按下式求解

方程式 8.

C_{O U T 2} = \frac{K_{23} \times Q_{g} - (1 + K_{23}) \times C_{O U T 1 B} \times {? V}_{{(V D D - C O M)}_{d r o o p}}}{2 \times K_{23} \times {? V}_{(V D D - C O M)_d r o o p}} + \frac{\sqrt{C_{O U T 1 B}^{2} {? V}_{{(V D D - C O M)}_{d r o o p}}^{2} ({K_{23}}^{2} + 2 K_{23} + 1) + 2 C_{O U T 1 B} K_{23} Q_{g} {? V}_{{(V D D - C O M)}_{d r o o p}} (1 - K_{23}) + {K_{23}}^{2} Q_{g}^{2}}}{2 \times K_{23} \times {? V}_{(V D D - C O M)_d r o o p}}

總的來(lái)說(shuō)，三個(gè)去耦電容器的設(shè)計(jì)過(guò)程從 C_OUT1B 計(jì)算開始，而后是 C_OUT2 計(jì)算，最后是 C_OUT3 計(jì)算。最終電容值將用于計(jì)算 R_LIM，如下一節(jié)所述。