IR2153：半橋驅動器IC基礎知識與應用詳解

IR2153是一款由國際整流器公司（International Rectifier，現為英飛凌科技公司 Infineon Technologies 旗下）生產的自振蕩半橋驅動器集成電路（IC）。它主要用于驅動功率MOSFET和IGBT，尤其是在需要高壓、高頻率、高效率的半橋拓撲電路中。由于其內部集成了振蕩器，IR2153極大地簡化了半橋變換器的設計，使其成為熒光燈鎮流器、緊湊型熒光燈（CFL）、開關模式電源（SMPS）以及其他各種功率轉換應用中的熱門選擇。

1. IR2153 的核心功能與工作原理

IR2153的核心功能是提供一對高電平（High-Side）和低電平（Low-Side）輸出驅動信號，用于控制半橋配置中的兩個開關管（通常是MOSFET）。其工作原理基于一個內置的CMOS振蕩器，該振蕩器通過外部連接的電阻（RT）和電容（CT）來設定工作頻率和占空比。

內置振蕩器： IR2153的內部振蕩器是一個非常關鍵的組成部分。它產生一個方波信號，作為整個半橋驅動器的時鐘。通過改變外部連接到RT/CT引腳的電阻和電容的數值，可以精確地調整振蕩頻率和死區時間。例如，增大RT或CT會降低振蕩頻率。

高低側驅動： IR2153的獨特之處在于其能夠驅動高側MOSFET。為了驅動高側MOSFET，其柵極電壓需要相對于其源極（而不是地）達到一個特定的電壓。在半橋配置中，高側MOSFET的源極電壓是浮動的，它會隨著半橋輸出點的切換而在高電壓和低電壓之間擺動。IR2153通過一個內部的自舉（Bootstrap）電路來解決這個問題。

自舉電路： 自舉電路是IR2153驅動高側MOSFET的關鍵。它由一個外部快速恢復二極管（通常是超快恢復二極管）和一個自舉電容（CBOOT）組成。當低側MOSFET導通時，自舉電容通過自舉二極管充電至VCC電壓。當高側MOSFET需要導通時，IR2153利用自舉電容儲存的電荷，將其輸出驅動信號（HO）提升到遠高于VCC的電壓，從而確保高側MOSFET能夠完全導通。自舉電容的容量選擇對于驅動器的正常工作至關重要，過小可能導致高側驅動不足，過大則可能影響充電速度。

死區時間（Dead Time）： 為了防止半橋上下兩個開關管同時導通造成短路（也稱為直通），IR2153內部集成了固定的死區時間。這意味著在高側MOSFET關斷和低側MOSFET導通之間，以及低側MOSFET關斷和高側MOSFET導通之間，都會有一個短暫的時間間隔，確保一個MOSFET完全關斷后另一個MOSFET才能開始導通。這個內部固定的死區時間是IR2153的一大優點，它簡化了外部電路設計，提高了可靠性。雖然是固定的，但在實際應用中，這個固定值通常足以滿足大多數應用需求，避免了復雜的外部死區時間調整電路。

2. IR2153 的主要特點與優勢

• 內置自振蕩器： 這是IR2153最顯著的特點，省去了外部振蕩電路，極大地簡化了設計，降低了物料成本和PCB面積。

• 高壓操作： IR2153支持高達600V的高壓操作，使其適用于各種AC-DC和DC-DC功率轉換應用。

• 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，便于接口設計。

• 獨立的低側和高側輸出： HO和LO輸出引腳提供獨立的驅動信號，便于精確控制MOSFET。

• 內部集成的死區時間： 無需外部死區時間設置，簡化了電路設計，并有效防止直通現象。這個固定死區時間通常經過優化，以提供可靠的開關性能。

• 欠壓鎖定（UVLO）功能： 當VCC電壓低于預設閾值時，IR2153會停止工作，防止在供電電壓不足時MOSFET柵極驅動不足而造成損壞。這提高了電路的可靠性和安全性。

• 微功耗啟動： 在啟動階段，IR2153消耗極低的電流，有利于使用簡單的啟動電阻來對VCC電容充電，從而實現快速啟動。

• SOIC和DIP封裝： 提供多種封裝選項，方便不同的PCB布局需求。

3. IR2153 的引腳功能

理解IR2153的引腳功能對于正確使用它至關重要。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內部電路提供電源，通常為10V至20V。需要一個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，通過外部電容設定振蕩頻率和占空比。

• COM (引腳4)： 地線引腳。低側驅動器的參考地，也是整個IC的公共地。

• LO (引腳5)： 低側輸出驅動引腳。連接到低側MOSFET的柵極。

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

• HO (引腳7)： 高側輸出驅動引腳。連接到高側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。這是高側驅動器供電的浮動電源。

4. IR2153 的典型應用電路

IR2153最常見的應用是作為半橋逆變器的核心控制器。一個典型的應用電路包括以下幾個關鍵部分：

• 電源部分： 為IR2153提供VCC供電，通常需要一個穩壓電源。

• 振蕩器部分： 由RT和CT構成，設定工作頻率。頻率計算公式大致為 f≈1.4×(RT+75Ω)×CT1 ，其中75歐姆是內部電阻。具體的公式應參考數據手冊。

• 自舉電路： 由自舉二極管（Dboot）和自舉電容（Cboot）組成，為高側驅動器提供浮動電源。Dboot通常選用快速恢復二極管，Cboot的容量選擇需要考慮開關頻率和高側MOSFET的柵極電荷。

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

• 負載： 連接在半橋輸出點和地之間，可以是變壓器、電感、電容或實際負載（如燈管）。

在實際設計中，還需要考慮以下因素：

• 柵極電阻（Rg）： 在HO/LO引腳和MOSFET柵極之間串聯一個電阻，用于限制柵極充電和放電電流，抑制振蕩，并減緩開關速度，從而減少電磁干擾（EMI）。

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

• 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. 設計考量與注意事項

在使用IR2153進行電路設計時，需要注意以下幾個方面：

• RT和CT的選擇： 根據所需的開關頻率和死區時間（盡管IR2153死區時間固定，但RT/CT會影響整體周期），查閱數據手冊選擇合適的RT和CT值。確保其容差在可接受范圍內，以保證頻率的穩定性。

• 自舉電路設計： 自舉二極管的選擇應考慮其反向恢復時間，應選用快速恢復或超快恢復二極管，以確保在半橋高低側切換時能夠迅速導通和截止。自舉電容的容量需要根據高側MOSFET的柵極電荷量和開關頻率進行計算，確保有足夠的電荷驅動高側MOSFET的柵極。通常，Cboot的ESR（等效串聯電阻）和ESL（等效串聯電感）也應盡可能低。

• MOSFET選擇： 選擇具有適當Vds額定值、Id額定值和柵極電荷量（Qg）的MOSFET。Qg值會影響柵極驅動電流和開關損耗。通常，低Qg的MOSFET更適合高頻應用。

• 布局布線： 良好的PCB布局對IR2153的性能至關重要。

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

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

• 電源去耦： VCC去耦電容應盡可能靠近VCC和COM引腳放置。

• 高壓與低壓隔離： 注意高壓側（VB、HO、VS）和低壓側（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，但在驅動大功率MOSFET時，由于柵極充放電以及少量內部損耗，IC會產生一定的熱量。在高溫環境下或高頻應用中，可能需要考慮散熱。

• 啟動電流限制： 在某些應用中，為了保護電源和IR2153，可能需要在VCC供電路徑上串聯一個限流電阻，尤其是在啟動階段。

• 故障保護： 雖然IR2153內置了UVLO，但在更復雜的應用中，可能還需要額外的過流保護、過壓保護、過溫保護等功能，以提高系統的魯棒性。

6. IR2153 與其他驅動器的比較

IR2153屬于“自振蕩”系列驅動器，與需要外部PWM控制器信號的“邏輯輸入”驅動器（如IR2110、IR2104等）有所不同。

• 優點： IR2153的優點在于其集成度高，設計簡單，成本低廉。它特別適合那些對頻率精度要求不是特別高，但追求成本效益和簡化設計的應用，例如照明鎮流器。

• 缺點： 它的缺點是頻率和死區時間固定或受限，無法進行實時占空比調節或頻率調制，這使得它不適用于需要精確控制輸出電壓或電流的PFC（功率因數校正）或同步整流等復雜應用。對于這些應用，通常需要使用帶有外部PWM控制信號的驅動器。

7. 總結

IR2153作為一款高度集成的自振蕩半橋驅動器，憑借其內置振蕩器、高壓兼容性、內部死區時間以及欠壓鎖定等特點，極大地簡化了半橋功率轉換電路的設計。它在熒光燈鎮流器、緊湊型熒光燈、開關電源、逆變器等領域有著廣泛的應用。通過正確理解其工作原理、引腳功能以及設計考量，工程師可以高效地利用IR2153構建穩定、可靠且具有成本效益的功率轉換解決方案。隨著電力電子技術的發展，IR2153及其系列產品將繼續在簡化電源設計中發揮重要作用。