IR2153：半桥驱动器IC基础知识与应用详解

IR2153是一款由国际整流器公司（International Rectifier，现为英飞凌科技公司 Infineon Technologies 旗下）生产的自振荡半桥驱动器集成电路（IC）。它主要用于驱动功率MOSFET和IGBT，尤其是在需要高压、高频率、高效率的半桥拓扑电路中。由于其内部集成了振荡器，IR2153极大地简化了半桥变换器的设计，使其成为荧光灯镇流器、紧凑型荧光灯（CFL）、开关模式电源（SMPS）以及其他各种功率转换应用中的热门选择。

1. IR2153 的核心功能与工作原理

IR2153的核心功能是提供一对高电平（High-Side）和低电平（Low-Side）输出驱动信号，用于控制半桥配置中的两个开关管（通常是MOSFET）。其工作原理基于一个内置的CMOS振荡器，该振荡器通过外部连接的电阻（RT）和电容（CT）来设定工作频率和占空比。

内置振荡器： IR2153的内部振荡器是一个非常关键的组成部分。它产生一个方波信号，作为整个半桥驱动器的时钟。通过改变外部连接到RT/CT引脚的电阻和电容的数值，可以精确地调整振荡频率和死区时间。例如，增大RT或CT会降低振荡频率。

高低侧驱动： IR2153的独特之处在于其能够驱动高侧MOSFET。为了驱动高侧MOSFET，其栅极电压需要相对于其源极（而不是地）达到一个特定的电压。在半桥配置中，高侧MOSFET的源极电压是浮动的，它会随着半桥输出点的切换而在高电压和低电压之间摆动。IR2153通过一个内部的自举（Bootstrap）电路来解决这个问题。

自举电路： 自举电路是IR2153驱动高侧MOSFET的关键。它由一个外部快速恢复二极管（通常是超快恢复二极管）和一个自举电容（CBOOT）组成。当低侧MOSFET导通时，自举电容通过自举二极管充电至VCC电压。当高侧MOSFET需要导通时，IR2153利用自举电容储存的电荷，将其输出驱动信号（HO）提升到远高于VCC的电压，从而确保高侧MOSFET能够完全导通。自举电容的容量选择对于驱动器的正常工作至关重要，过小可能导致高侧驱动不足，过大则可能影响充电速度。

死区时间（Dead Time）： 为了防止半桥上下两个开关管同时导通造成短路（也称为直通），IR2153内部集成了固定的死区时间。这意味着在高侧MOSFET关断和低侧MOSFET导通之间，以及低侧MOSFET关断和高侧MOSFET导通之间，都会有一个短暂的时间间隔，确保一个MOSFET完全关断后另一个MOSFET才能开始导通。这个内部固定的死区时间是IR2153的一大优点，它简化了外部电路设计，提高了可靠性。虽然是固定的，但在实际应用中，这个固定值通常足以满足大多数应用需求，避免了复杂的外部死区时间调整电路。

2. IR2153 的主要特点与优势

• 内置自振荡器： 这是IR2153最显著的特点，省去了外部振荡电路，极大地简化了设计，降低了物料成本和PCB面积。

• 高压操作： IR2153支持高达600V的高压操作，使其适用于各种AC-DC和DC-DC功率转换应用。

• 兼容CMOS和LSTTL输出： 意味着它能够与各种微控制器和逻辑电平兼容，便于接口设计。

• 独立的低侧和高侧输出： HO和LO输出引脚提供独立的驱动信号，便于精确控制MOSFET。

• 内部集成的死区时间： 无需外部死区时间设置，简化了电路设计，并有效防止直通现象。这个固定死区时间通常经过优化，以提供可靠的开关性能。

• 欠压锁定（UVLO）功能： 当VCC电压低于预设阈值时，IR2153会停止工作，防止在供电电压不足时MOSFET栅极驱动不足而造成损坏。这提高了电路的可靠性和安全性。

• 微功耗启动： 在启动阶段，IR2153消耗极低的电流，有利于使用简单的启动电阻来对VCC电容充电，从而实现快速启动。

• SOIC和DIP封装： 提供多种封装选项，方便不同的PCB布局需求。

3. IR2153 的引脚功能

理解IR2153的引脚功能对于正确使用它至关重要。IR2153通常采用8引脚封装（例如SOIC-8或DIP-8），其典型引脚配置如下：

• VCC (引脚1)： 供电电压输入。为IR2153内部电路提供电源，通常为10V至20V。需要一个去耦电容靠近此引脚。

• RT (引脚2)： 振荡电阻连接引脚。与CT引脚一起，通过外部电阻设定振荡频率和占空比。

• CT (引脚3)： 振荡电容连接引脚。与RT引脚一起，通过外部电容设定振荡频率和占空比。

• COM (引脚4)： 地线引脚。低侧驱动器的参考地，也是整个IC的公共地。

• LO (引脚5)： 低侧输出驱动引脚。连接到低侧MOSFET的栅极。

• VS (引脚6)： 高侧MOSFET的源极引脚。此引脚是浮动的，会随着半桥输出点的电压摆动。自举电容连接在VCC和VS之间。

• HO (引脚7)： 高侧输出驱动引脚。连接到高侧MOSFET的栅极。

• VB (引脚8)： 自举电源引脚。连接到自举电容的另一端，通过自举二极管连接到VCC。这是高侧驱动器供电的浮动电源。

4. IR2153 的典型应用电路

IR2153最常见的应用是作为半桥逆变器的核心控制器。一个典型的应用电路包括以下几个关键部分：

• 电源部分： 为IR2153提供VCC供电，通常需要一个稳压电源。

• 振荡器部分： 由RT和CT构成，设定工作频率。频率计算公式大致为 f≈1.4×(RT+75Ω)×CT1 ，其中75欧姆是内部电阻。具体的公式应参考数据手册。

• 自举电路： 由自举二极管（Dboot）和自举电容（Cboot）组成，为高侧驱动器提供浮动电源。Dboot通常选用快速恢复二极管，Cboot的容量选择需要考虑开关频率和高侧MOSFET的栅极电荷。

• 半桥功率级： 由两个MOSFET（Q1和Q2）组成，通常是N沟道MOSFET，以半桥形式连接。这两个MOSFET的栅极分别由HO和LO驱动。

• 负载： 连接在半桥输出点和地之间，可以是变压器、电感、电容或实际负载（如灯管）。

在实际设计中，还需要考虑以下因素：

• 栅极电阻（Rg）： 在HO/LO引脚和MOSFET栅极之间串联一个电阻，用于限制栅极充电和放电电流，抑制振荡，并减缓开关速度，从而减少电磁干扰（EMI）。

• 旁路电容： 在VCC和COM之间放置一个去耦电容，以滤除电源噪声，确保VCC的稳定性。

• 输入滤波： 如果IR2153用于交流输入，可能需要输入EMI滤波器和整流桥。

5. 设计考量与注意事项

在使用IR2153进行电路设计时，需要注意以下几个方面：

• RT和CT的选择： 根据所需的开关频率和死区时间（尽管IR2153死区时间固定，但RT/CT会影响整体周期），查阅数据手册选择合适的RT和CT值。确保其容差在可接受范围内，以保证频率的稳定性。

• 自举电路设计： 自举二极管的选择应考虑其反向恢复时间，应选用快速恢复或超快恢复二极管，以确保在半桥高低侧切换时能够迅速导通和截止。自举电容的容量需要根据高侧MOSFET的栅极电荷量和开关频率进行计算，确保有足够的电荷驱动高侧MOSFET的栅极。通常，Cboot的ESR（等效串联电阻）和ESL（等效串联电感）也应尽可能低。

• MOSFET选择： 选择具有适当Vds额定值、Id额定值和栅极电荷量（Qg）的MOSFET。Qg值会影响栅极驱动电流和开关损耗。通常，低Qg的MOSFET更适合高频应用。

• 布局布线： 良好的PCB布局对IR2153的性能至关重要。

• 短而粗的连接： 连接到MOSFET栅极的走线应该尽可能短而粗，以减少寄生电感和电阻，从而避免不必要的振铃。

• 地平面： 使用一个良好的地平面可以有效降低噪声和干扰。COM引脚应直接连接到功率地的低阻抗路径。

• 电源去耦： VCC去耦电容应尽可能靠近VCC和COM引脚放置。

• 高压与低压隔离： 注意高压侧（VB、HO、VS）和低压侧（VCC、RT、CT、LO、COM）之间的爬电距离和电气隔离。

• 热管理： 尽管IR2153本身的功耗较低，但在驱动大功率MOSFET时，由于栅极充放电以及少量内部损耗，IC会产生一定的热量。在高温环境下或高频应用中，可能需要考虑散热。

• 启动电流限制： 在某些应用中，为了保护电源和IR2153，可能需要在VCC供电路径上串联一个限流电阻，尤其是在启动阶段。

• 故障保护： 虽然IR2153内置了UVLO，但在更复杂的应用中，可能还需要额外的过流保护、过压保护、过温保护等功能，以提高系统的鲁棒性。

6. IR2153 与其他驱动器的比较

IR2153属于“自振荡”系列驱动器，与需要外部PWM控制器信号的“逻辑输入”驱动器（如IR2110、IR2104等）有所不同。

• 优点： IR2153的优点在于其集成度高，设计简单，成本低廉。它特别适合那些对频率精度要求不是特别高，但追求成本效益和简化设计的应用，例如照明镇流器。

• 缺点： 它的缺点是频率和死区时间固定或受限，无法进行实时占空比调节或频率调制，这使得它不适用于需要精确控制输出电压或电流的PFC（功率因数校正）或同步整流等复杂应用。对于这些应用，通常需要使用带有外部PWM控制信号的驱动器。

7. 总结

IR2153作为一款高度集成的自振荡半桥驱动器，凭借其内置振荡器、高压兼容性、内部死区时间以及欠压锁定等特点，极大地简化了半桥功率转换电路的设计。它在荧光灯镇流器、紧凑型荧光灯、开关电源、逆变器等领域有着广泛的应用。通过正确理解其工作原理、引脚功能以及设计考量，工程师可以高效地利用IR2153构建稳定、可靠且具有成本效益的功率转换解决方案。随着电力电子技术的发展，IR2153及其系列产品将继续在简化电源设计中发挥重要作用。