MIC4680 中文数据手册

概述

MIC4680 是一款高性能、低功耗的半桥 MOSFET 驱动器，由 Microchip 公司设计和制造。它专门用于驱动 N 沟道 MOSFET，特别是在需要高效率和快速开关的应用中。该芯片集成了多种保护功能，使其在电机控制、电源管理、DC/DC 转换器、逆变器以及其他开关模式电源等领域表现出色。其独特的架构允许它以高达 100V 的电源电压工作，同时保持非常低的静态电流，从而实现了高效率和高可靠性。MIC4680 的设计考虑了在恶劣环境下的应用，因此具有强大的抗噪能力和热保护功能。

这款驱动器的主要特点包括其自举式设计，能够轻松驱动高端 MOSFET，无需外部电平转换电路。它还具有快速的上升和下降时间，最大限度地减少了开关损耗，从而提高了整个系统的效率。此外，MIC4680 的内部逻辑电路经过精心优化，可以防止交替导通（shoot-through）情况的发生，确保了上管和下管 MOSFET 不会同时导通，从而避免了短路和器件损坏。其紧凑的封装尺寸也使得它非常适合于空间受限的应用。

主要特性

宽工作电压范围： MIC4680 可以在 5V 至 100V 的宽电压范围内工作，使其适用于多种不同的电源应用。这种宽泛的工作电压范围为设计人员提供了极大的灵活性，无论是在低压电池供电系统还是在高压工业应用中，它都能稳定可靠地工作。

自举电路： 内部集成的自举电路简化了高端 MOSFET 的驱动。它仅需一个外部电容器和一个可选的二极管，便能产生足够高的栅极电压来驱动高端 MOSFET，无需额外的电源或复杂的电平转换电路。这大大降低了 BOM（物料清单）成本和 PCB 布局的复杂性。

快速开关速度： 驱动器的上升和下降时间非常短，通常在几十纳秒的量级。这使得它能够支持高频率的 PWM（脉冲宽度调制）信号，从而减少了开关损耗，提高了系统的整体效率。快速开关速度对于需要精确控制的应用（如同步整流和电机控制）至关重要。

防止交替导通： MIC4680 内部集成了交叉传导（cross-conduction）保护功能。它通过确保在任何时候上管和下管 MOSFET 之间都存在一个死区时间（dead-time），防止了它们的瞬时同时导通。这个死区时间是内部固定好的，无需外部配置，从而简化了设计并提高了系统的可靠性。

欠压锁定（UVLO）： 该芯片包含欠压锁定功能，当 VCC 电源电压低于设定阈值时，驱动器会禁用输出，防止 MOSFET 在栅极电压不足的情况下开启，从而避免了 MOSFET 因导通不完全而产生的大量功耗和热量。一旦 VCC 电压恢复到正常水平，UVLO 功能会自动解除，驱动器恢复正常工作。

热关断保护： MIC4680 内部集成了热关断功能。当芯片内部温度超过预设的安全阈值时，驱动器会自动禁用输出，以保护自身和外部 MOSFET 不受过热损坏。当温度降至安全水平后，该功能会自动复位。

CMOS/TTL 兼容输入： 驱动器的逻辑输入引脚兼容标准的 CMOS 和 TTL 电平，能够直接与微控制器、DSP 或其他逻辑电路的输出相连，无需额外的电平转换或缓冲电路。这极大地简化了系统设计。

内部结构与工作原理

MIC4680 的核心是一个完整的半桥驱动器，由高端驱动器和低端驱动器两部分组成。这两部分共享一个逻辑输入引脚，但通过内部电路逻辑精确控制，以确保互补输出。

逻辑输入级： 驱动器的输入级负责接收来自微控制器或控制器的 PWM 信号。这个输入级经过优化，具有高输入阻抗和强大的抗噪能力，能够有效地滤除噪声，确保控制信号的完整性。输入信号通过施密特触发器进行整形，以确保即使在输入信号质量不佳的情况下，内部逻辑也能获得清晰的开关信号。

电平转换器： 为了驱动高端 MOSFET，驱动器需要将低电平的控制信号转换为高电平。MIC4680 内部的电平转换器通过自举电路实现这一功能。当低端 MOSFET 导通时，自举电容器通过自举二极管充电至 VCC 电压。当低端 MOSFET 关断时，该电容器的电荷被用来驱动高端 MOSFET 的栅极，提供所需的驱动电压。

自举电路详细介绍： 自举电路由一个自举二极管（通常是外部肖特基二极管）和一个自举电容器组成。自举电容器连接在驱动器的 VBOOT 引脚和 VSW 引脚之间。VBOOT 引脚是高端驱动器的电源输入，而 VSW 引脚连接到半桥的中点。当低端 MOSFET 导通时，SW 引脚的电压接近地电平。此时，自举二极管导通，自举电容器通过 VCC 充电。当高端 MOSFET 需要导通时，SW 引脚的电压会升高，自举电容器的充电电压被抬升，从而为 VBOOT 提供一个高于 VCC 的电压，足以驱动高端 MOSFET。

驱动器输出级： 输出级由一对推挽式晶体管构成，能够提供足够大的峰值电流来快速充放电 MOSFET 的栅极电容。高驱动电流能够最大限度地减少开关时间，从而减少开关损耗。该输出级的设计考虑了在驱动大栅极电容 MOSFET 时的瞬态电流能力，确保了其在各种应用中的稳定性和可靠性。

死区时间控制： MIC4680 的一个关键特性是其内部固定的死区时间控制。在半桥配置中，如果上管和下管 MOSFET 同时导通，会造成电源短路，即所谓的“交替导通”。为了防止这种情况，驱动器内部的逻辑电路会确保在一个 MOSFET 关断和另一个 MOSFET 开启之间存在一个短暂的延迟。这个延迟时间（即死区时间）是经过精心计算和内部固定的，以适应大多数常见的应用场景，简化了外部设计。

保护电路： 驱动器内部的保护电路主要包括欠压锁定（UVLO）和热关断。UVLO 电路持续监测 VCC 电压，确保只有在电压足以驱动 MOSFET 时才允许其工作。这有效地防止了因栅极电压不足而导致的 MOSFET 导通不完全，从而避免了大量的功耗和热量。热关断电路则实时监测芯片的结温，一旦温度超过安全阈值，就会关闭驱动器，以防止芯片本身因过热而损坏。

引脚描述

VCC： 驱动器的电源电压输入引脚，连接到系统的低压控制电源（通常为 5V 至 15V）。

GND： 驱动器的地引脚。

IN： 逻辑信号输入引脚，用于控制半桥的开关。高电平通常会使高端 MOSFET 关断，低端 MOSFET 导通；低电平则反之。

HO： 高端驱动器输出引脚，连接到高端 MOSFET 的栅极（Gate）。

LO： 低端驱动器输出引脚，连接到低端 MOSFET 的栅极（Gate）。

SW： 半桥中点引脚，连接到高端 MOSFET 的源极（Source）和低端 MOSFET 的漏极（Drain）之间的连接点。该引脚也作为自举电路的低压侧连接点。

VBOOT： 自举电源引脚。外部自举电容器的一端连接到此引脚，另一端连接到 SW 引脚。该引脚的电压将跟随 SW 引脚的电压波动。

典型应用电路

半桥逆变器： MIC4680 在半桥逆变器中扮演着核心角色。通过驱动一对 N 沟道 MOSFET，它可以将直流电源转换为交流或脉冲直流。这种配置广泛应用于电机驱动、不间断电源（UPS）和太阳能逆变器等领域。

同步降压转换器： 在同步降压转换器中，MIC4680 可以驱动上管和下管 MOSFET，实现高效的降压转换。它的快速开关速度和死区时间控制对于减少开关损耗和提高效率至关重要。

半桥 DC/DC 转换器： 在高功率 DC/DC 转换器中，MIC4680 可以实现高效的电压转换。其宽电压范围和强大驱动能力使其成为此类应用的理想选择。

电机驱动： MIC4680 适用于驱动无刷直流（BLDC）电机或步进电机。通过驱动 H 桥或半桥，它可以实现对电机电流和转速的精确控制。其集成保护功能确保了在电机驱动应用中的高可靠性。

设计指南与注意事项

PCB 布局： 良好的 PCB 布局对于任何高频开关电路都至关重要。建议将 MIC4680 放置在靠近其驱动的 MOSFET 的位置，以最大限度地减少栅极驱动环路的寄生电感。自举电容器应尽可能靠近 VBOOT 和 SW 引脚放置。VCC 和 GND 引脚应使用宽而短的走线连接到电源和地。大电流路径（如电源和 MOSFET 之间）应使用宽走线或覆铜，以降低电阻和电感。

自举电路： 自举电容器的选择至关重要。其容量应足够大，以在高端 MOSFET 导通期间提供足够的电荷。一般来说，建议使用 0.1μF 至 1μF 的陶瓷电容器。自举二极管应选择具有低正向压降和快速恢复时间的肖特基二极管，以确保快速充电。

电源去耦： 在 VCC 和 GND 引脚之间应放置一个低 ESR（等效串联电阻）的去耦电容器，以滤除高频噪声，并为驱动器提供稳定的电源。这个电容器应尽可能靠近芯片放置。

输入信号： 确保输入信号（IN 引脚）具有干净、无噪声的波形。在高噪声环境中，可能需要对输入信号进行滤波，以防止误触发。输入信号的上升和下降时间应尽量快，以确保驱动器能够准确响应。

散热： 尽管 MIC4680 本身功耗很低，但在高频率和大电流驱动应用中，仍然需要考虑其散热问题。如果芯片在工作过程中发热严重，应确保 PCB 布局能够有效地将热量散发出去，或者考虑使用更强大的散热解决方案。

工作参数与电气特性

MIC4680 的工作参数和电气特性是设计人员必须深入了解的关键信息。以下是一些核心参数的详细阐述：

电源电压 (VCC)： 驱动器的 VCC 供电范围通常为 5V 至 15V。在这个范围内，驱动器可以稳定工作，并提供足够的栅极驱动电压。虽然芯片可以承受更高的瞬态电压，但长时间超出该范围可能会导致损坏。

高/低端驱动电压： 高端驱动器能够提供一个高于 VCC 的电压来驱动高端 MOSFET。这个电压由自举电路生成，通常在 5V 至 10V 的范围内，具体取决于 VCC 的大小。低端驱动器则直接由 VCC 供电。

输出峰值电流： MIC4680 的输出级能够提供强大的峰值电流，以快速充放电 MOSFET 的栅极电容。这个峰值电流通常在几安培的量级，具体数值可在数据手册中找到。高峰值电流是实现快速开关和减少开关损耗的关键。

传播延迟： 传播延迟是指从输入信号的变化到输出信号相应变化之间的时间。MIC4680 的传播延迟通常在几十纳秒的量级。在需要精确时序控制的应用中，如同步整流，理解并补偿这个延迟是至关重要的。

死区时间： 驱动器内部固定的死区时间是其重要的保护功能。这个时间通常在几十到一百多纳秒之间，足以防止大多数常见应用中的交替导通。在某些特殊应用中，如果需要更长的死区时间，可能需要通过外部逻辑电路来增加。

静态电流： MIC4680 的静态电流非常低，这使得它非常适合于电池供电或对功耗敏感的应用。低静态电流有助于延长电池寿命并提高系统效率。

欠压锁定（UVLO）阈值： UVLO 阈值决定了驱动器何时开始工作。当 VCC 电压低于此阈值时，驱动器会锁定输出，防止 MOSFET 导通。当 VCC 恢复到高于此阈值（通常带有一些迟滞电压）时，驱动器会重新启用。

封装信息

MIC4680 提供多种封装形式，以适应不同的应用需求。常见的封装包括但不限于：

SOIC-8： 8 引脚小外形集成电路封装，适用于标准 PCB 布局，易于焊接和测试。

MSOP-8： 微型小外形封装，比 SOIC-8 更小，适用于空间受限的应用。

DFN-8： 双扁平无引脚封装，具有更好的散热性能和更小的尺寸，适合于高功率和高密度应用。

每种封装都有其特定的尺寸、热阻和电气特性。设计人员应根据其应用需求选择最合适的封装。例如，在需要处理较高功率的应用中，DFN-8 封装因其优秀的散热能力而成为更好的选择。

可靠性与保护功能

ESD 保护： MIC4680 具有强大的静电放电（ESD）保护能力，符合 JEDEC 标准，能够承受高达几千伏的静电冲击，从而提高了在生产、组装和使用过程中的可靠性。

闩锁保护： 该芯片具有高抗闩锁能力，可以防止在恶劣条件下因瞬态电压或电流引起的闩锁效应。

热关断（TSD）： 热关断功能是一个重要的安全特性。当芯片内部温度超过预设阈值（通常在 150°C 左右）时，驱动器会立即禁用输出，以防止芯片因过热而损坏。当温度降至安全水平后，驱动器会自动恢复工作。这个功能为系统提供了额外的安全保障。

交替导通（Shoot-through）保护： 这是半桥驱动器设计中的核心保护功能。MIC4680 通过内部死区时间控制，确保上管和下管 MOSFET 永远不会同时导通。这个内部固定的死区时间避免了外部逻辑复杂性，并提供了可靠的保护。

应用实例：同步降压转换器

为了更好地理解 MIC4680 的应用，我们以一个典型的同步降压转换器为例。在这个应用中，MIC4680 驱动两个 N 沟道 MOSFET，一个作为上管（高压侧开关），另一个作为下管（低压侧开关，也称为同步整流器）。

工作原理：

1. 开关周期开始： 当 PWM 控制信号输入到 MIC4680 的 IN 引脚为高电平时，驱动器会关断低端 MOSFET，并开启高端 MOSFET。电流从输入电容流经高端 MOSFET，通过电感向负载供电，同时对输出电容充电。在此期间，电感中的电流线性增加。

2. 开关周期结束： 当 PWM 信号变为低电平时，驱动器会关断高端 MOSFET，并开启低端 MOSFET。此时，电感中的电流继续流向负载，但路径是通过低端 MOSFET 和输出电容。电感中的能量被释放，电流线性减小。

3. 死区时间： 在高端 MOSFET 关断和低端 MOSFET 开启之间，MIC4680 会插入一个短暂的死区时间。这个时间是至关重要的，它确保了在任何时候只有一个 MOSFET 导通，从而防止了交替导通造成的短路。

优点：

• 高效率： 通过使用同步整流（即用一个 MOSFET 替代传统的二极管），可以显著降低导通损耗，特别是在低压、大电流应用中。MIC4680 的快速开关速度进一步减少了开关损耗。

• 简化设计： 驱动器集成了自举电路和死区时间控制，大大简化了外部电路设计。设计人员无需再为高端 MOSFET 的驱动和交替导通保护而烦恼。

• 高可靠性： 内置的 UVLO 和热关断保护确保了系统在异常工作条件下的安全运行。

总结

MIC4680 是一款功能强大、高度集成的半桥 MOSFET 驱动器，专为高效率、高可靠性的电源管理和电机控制应用而设计。其宽工作电压范围、快速开关速度、内置自举电路和全面的保护功能使其成为各类开关模式电源的理想选择。通过其独特的内部架构，MIC4680 简化了系统设计，减少了外部元件数量，并提高了整体性能和可靠性。无论是用于复杂的工业自动化设备，还是用于紧凑的消费电子产品，MIC4680 都能提供稳定可靠的 MOSFET 驱动解决方案。