IR2136引脚详细说明

一、IR2136芯片概述

IR2136是国际整流器公司（International Rectifier，现属英飞凌科技）推出的一款高性能三相栅极驱动集成电路，专为驱动三相逆变器中的功率MOSFET或IGBT而设计。该芯片集成了三路高端驱动和三路低端驱动，适用于交流感应电机、无刷直流电机（BLDC）、开关磁阻电机等驱动系统。IR2136具有高集成度、低功耗、高可靠性等特点，广泛应用于工业控制、家电、汽车电子等领域。

IR2136的主要特点包括：

• 高电压工作能力：最高工作电压可达600V，适用于高压应用场景。

• 高驱动能力：提供高达250mA的驱动电流，能够快速驱动大功率MOSFET或IGBT。

• 内置保护功能：包括欠压锁定（UVLO）、过流保护（OCP）、故障逻辑锁定等。

• 自举供电技术：通过自举电路实现高端驱动，无需额外的隔离电源。

• 低侧和高端输入隔离：逻辑输入与功率输出之间具有高隔离度，适用于微控制器直接驱动。

• 可编程故障清除延迟：通过外部RC网络设置故障清除时间。

• 兼容CMOS和LSTTL逻辑：输入电平兼容3.3V和5V逻辑，方便与微控制器接口。

二、IR2136引脚功能详解

IR2136采用28引脚PDIP封装或SOIC封装，其引脚功能如下：

1. 电源引脚

• VCC（引脚1）：逻辑电源输入端，为芯片内部逻辑电路和低侧驱动提供电源。VCC的典型工作电压为10V至20V，最大不超过25V。VCC还为自举电路提供充电电源。

• COM（引脚2）：逻辑地端，与VCC共同构成芯片的低压侧电源参考地。所有逻辑输入信号均以COM为参考。

• VB1、VB2、VB3（引脚3、5、7）：高端浮动电源电压输出端。这些引脚通过自举二极管和自举电容为高端驱动提供浮动电源。VBx与VSx之间的电压差决定了高端驱动的栅极驱动电压。

• VS1、VS2、VS3（引脚4、6、8）：高端浮动电源返回端。这些引脚连接到高端功率MOSFET的源极，作为高端驱动的参考地。VSx引脚的电压随高端MOSFET的开关状态而浮动。

2. 逻辑输入引脚

• HIN1、HIN2、HIN3（引脚9、10、11）：高端驱动逻辑输入端。这些引脚接收来自微控制器的PWM信号，控制高端MOSFET的导通和关断。输入信号为低电平有效（即低电平触发导通，高电平触发关断）。输入信号需经过施密特触发器整形，以提高抗干扰能力。

• LIN1、LIN2、LIN3（引脚12、13、14）：低端驱动逻辑输入端。这些引脚同样接收来自微控制器的PWM信号，控制低端MOSFET的导通和关断。输入信号同样为低电平有效。

• EN（引脚28）：使能输入端。高电平有效，当EN引脚为高电平时，芯片正常工作；当EN引脚为低电平时，芯片进入低功耗模式，所有驱动输出关闭。EN引脚可用于实现软启动或故障后的系统复位。

3. 驱动输出引脚

• HO1、HO2、HO3（引脚27、26、25）：高端驱动输出端。这些引脚直接驱动高端MOSFET的栅极。输出信号为推挽输出，能够提供足够的驱动电流。

• LO1、LO2、LO3（引脚24、23、22）：低端驱动输出端。这些引脚直接驱动低端MOSFET的栅极。输出信号同样为推挽输出。

4. 保护功能引脚

• ITRIP（引脚15）：过流检测输入端。该引脚接收来自电流检测电路的电压信号，当信号超过内部设定的阈值时，芯片判定为过流故障，并关闭所有驱动输出。ITRIP引脚通常通过一个采样电阻连接到功率地，将电流信号转换为电压信号。

• FAULT（引脚16）：故障输出端。当芯片检测到过流、欠压或其他故障时，FAULT引脚输出低电平信号，可用于驱动外部LED或报警电路。FAULT引脚为开漏输出，需外接上拉电阻。

• RCIN（引脚17）：故障清除时间设置端。通过外接RC网络，可以设置FAULT信号的维持时间。当RCIN引脚的电压升高到8V时，FAULT信号恢复高电平，故障状态被清除。

5. 其他引脚

• SD（引脚18）：软关断输入端。当SD引脚为高电平时，芯片会以软关断的方式关闭所有驱动输出，避免硬关断产生的电压尖峰。SD引脚通常用于实现过压保护或短路保护。

• VSS（引脚19）：功率地端。与COM引脚类似，VSS为功率电路的参考地。在某些应用中，VSS和COM可以短接。

• NC（引脚20、21）：无连接引脚。这些引脚在芯片内部未连接，用户可根据需要选择是否接地或悬空。

三、IR2136内部结构与工作原理

IR2136的内部结构主要包括以下几个部分：

1. 逻辑输入处理电路：

• 输入信号经过施密特触发器整形，消除输入信号的噪声和抖动。

• 输入信号通过电平转换电路，将CMOS或LSTTL电平转换为芯片内部的工作电平。

• 输入信号经过滤波和放大，确保驱动输出的稳定性和可靠性。

2. 高端驱动电路：

• 高端驱动电路采用自举供电技术，通过自举二极管和自举电容为高端驱动提供浮动电源。

• 当低端MOSFET导通时，自举电容通过自举二极管充电；当高端MOSFET导通时，自举电容为高端驱动提供电源。

• 高端驱动电路具有过流保护和欠压锁定功能，确保高端MOSFET的安全运行。

3. 低端驱动电路：

• 低端驱动电路直接由VCC供电，驱动低端MOSFET的栅极。

• 低端驱动电路同样具有过流保护和欠压锁定功能。

4. 保护功能电路：

• 欠压锁定（UVLO）：当VCC电压低于设定的阈值时，芯片自动关闭所有驱动输出，避免因电源不足导致的误动作。

• 过流保护（OCP）：通过ITRIP引脚检测电流信号，当电流超过阈值时，芯片关闭所有驱动输出，并输出FAULT信号。

• 故障逻辑锁定：当检测到故障时，芯片锁定故障状态，直到通过RCIN引脚清除故障。

5. 死区时间控制电路：

• IR2136内置死区时间控制电路，确保高端和低端MOSFET不会同时导通，避免桥臂直通导致的短路故障。

• 死区时间典型值为200ns至500ns，具体取决于工作条件和负载特性。

四、IR2136典型应用电路

以下是一个基于IR2136的三相无刷直流电机驱动电路的典型应用示例：

1. 电路组成

• 电源部分：

• 输入电源：直流24V至48V，通过滤波电容和稳压电路为芯片和功率MOSFET供电。

• 自举电路：由自举二极管（如UF4007）和自举电容（如10μF/50V）组成，为高端驱动提供浮动电源。

• 功率部分：

• 三相逆变桥：由六个N沟道功率MOSFET（如IRF540N）组成，每相由一个高端MOSFET和一个低端MOSFET构成。

• 电流检测：通过采样电阻（如0.01Ω/2W）将电流信号转换为电压信号，输入到ITRIP引脚。

• 控制部分：

• 微控制器：如STM32或DSP，输出六路PWM信号，分别连接到HIN1-HIN3和LIN1-LIN3引脚。

• 故障指示：通过FAULT引脚驱动LED或报警电路，指示系统故障。

2. 电路工作原理

• 正常工作模式：

• 微控制器输出六路PWM信号，控制高端和低端MOSFET的导通和关断。

• 自举电路为高端驱动提供浮动电源，确保高端MOSFET能够正常导通。

• 电流检测电路实时监测电机电流，当电流超过阈值时，芯片关闭所有驱动输出，并输出FAULT信号。

• 故障处理模式：

• 当检测到过流、欠压或其他故障时，芯片关闭所有驱动输出，并输出FAULT信号。

• 用户可通过RCIN引脚清除故障，或通过EN引脚复位芯片。

3. 电路设计注意事项

• 自举电容的选择：

• 自举电容的容量需根据MOSFET的开关频率和栅极电荷需求选择。容量过小会导致驱动不足，容量过大会影响电路的响应速度。

• 典型值为10μF至22μF，耐压值需高于电源电压。

• 自举二极管的选择：

• 自举二极管需具有快速恢复特性和低反向漏电流，以确保自举电容能够快速充电。

• 典型型号为UF4007或MUR160。

• 电流检测电阻的选择：

• 电流检测电阻的阻值需根据电流检测范围和功率损耗选择。阻值过大会导致功率损耗增加，阻值过小会降低检测灵敏度。

• 典型值为0.01Ω至0.1Ω，功率需根据实际电流计算。

• 故障清除时间设置：

• 故障清除时间通过RCIN引脚外接RC网络设置。RC时间常数决定了FAULT信号的维持时间。

• 典型值为几毫秒至几十毫秒，具体取决于系统需求。

五、IR2136应用中的常见问题与解决方案

1. 自举电容电压不足

• 问题表现：高端MOSFET无法完全导通，导致输出电压不足或波形失真。

• 原因分析：

• 自举电容容量不足，无法提供足够的电荷。

• 自举二极管反向漏电流过大，导致电容放电。

• 开关频率过高，自举电容充电时间不足。

• 解决方案：

• 增大自举电容容量。

• 更换反向漏电流更小的自举二极管。

• 降低开关频率，或优化PWM信号的占空比。

2. 过流保护误触发

• 问题表现：系统在正常工作时频繁触发过流保护，导致电机无法正常运行。

• 原因分析：

• 电流检测电阻的阻值选择不当，导致正常电流被误判为过流。

• 电流检测电路的噪声干扰，导致信号波动。

• ITRIP引脚的阈值设置过低。

• 解决方案：

• 重新计算电流检测电阻的阻值，确保正常电流不超过阈值。

• 在电流检测电路中增加滤波电容，减少噪声干扰。

• 通过调整ITRIP引脚的分压电阻，适当提高过流阈值。

3. 高端MOSFET发热严重

• 问题表现：高端MOSFET在运行时温度过高，可能导致损坏。

• 原因分析：

• 高端MOSFET的驱动电压不足，导致导通电阻增大。

• 高端MOSFET的开关速度过慢，导致开关损耗增加。

• 散热设计不当，导致热量无法及时散发。

• 解决方案：

• 检查自举电路的工作状态，确保自举电容和自举二极管正常。

• 优化PWM信号的死区时间，减少开关损耗。

• 增加散热片或风扇，改善散热条件。

4. 故障信号无法清除

• 问题表现：FAULT信号在故障排除后仍保持低电平，系统无法恢复正常工作。

• 原因分析：

• RCIN引脚外接的RC网络参数不当，导致故障清除时间过长或过短。

• 芯片内部故障逻辑锁定，需通过EN引脚复位。

• 解决方案：

• 调整RC网络的参数，确保故障清除时间符合系统需求。

• 通过EN引脚短暂拉低电平，复位芯片。

六、IR2136的选型与替代方案

1. 选型指南

• 工作电压：根据系统需求选择合适的VCC范围（10V至20V）。

• 驱动能力：根据MOSFET的栅极电荷需求选择合适的驱动电流（IR2136提供高达250mA的驱动电流）。

• 保护功能：确认系统是否需要欠压锁定、过流保护等功能。

• 封装形式：根据PCB布局选择PDIP或SOIC封装。

2. 替代方案

• IR2130：与IR2136类似，但驱动能力较低（200mA），适用于小功率应用。

• IR2104：单通道栅极驱动器，适用于单相逆变器或H桥电路。

• L6384E：意法半导体推出的三相栅极驱动器，具有类似的保护功能，但引脚排列和功能略有不同。

七、总结

IR2136是一款高性能的三相栅极驱动集成电路，广泛应用于电机驱动、电源转换等领域。其高集成度、低功耗、高可靠性等特点，使其成为工业控制和家电领域的理想选择。通过本文的详细介绍，读者可以全面了解IR2136的引脚功能、内部结构、工作原理以及典型应用电路，为实际设计提供参考。

在实际应用中，需根据系统需求合理选择外围元件，优化电路设计，确保系统的稳定性和可靠性。同时，需注意自举电容、自举二极管、电流检测电阻等关键元件的选择，避免常见问题的发生。通过合理的电路设计和调试，IR2136能够充分发挥其性能优势，为电机驱动系统提供高效、可靠的驱动解决方案。