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IR2104详解

news/2024/10/2 20:31:30

引入：IR2104是我上手的第一个半桥栅极驱动芯片，使用两片IR2104就可以搭建一个全桥电路控制电机的正反转。然而由于不懂其中原理，在后续电路设计中出现了许多bug，这篇文章作为一个经验总结，也作为一个新手教程，从MOS管的工作原理深入讲解IR2104电路设计。

0、基础知识

IR2104是一颗半桥栅极驱动芯片(控制构成半桥的MOS管的栅极的芯片)，所以在介绍IR2104之前，我们先了解一下MOS管和半桥是什么。

0.1、NMOS原理

关于MOS管的介绍，推荐B站工科男孙老师的视频 NMOS的介绍

这里仅简单介绍一下，NMOS有三个引脚，分别为G(栅极)、S(源极)、D(漏极)，当DS之间有电势差且GS间电压大于开启电压Vth时，NMOS完全导通。用公式表示就是Vgs > Vth。
可以简单理解为：当 G(栅极)电压大于 S(源极)电压时，NMOS导通。
NMOS

0.2、半桥控制原理

一个NMOS构成的开关电路(如图x)只能输出低电平或高阻态(称为开漏输出)，不能输出高电平。

于是我们再接入一个NMOS来控制高电平的接入(如图x)。
推挽输出

这时我们将连接高电平的MOS叫上管，连接低电平的MOS叫下管，通过控制上下管的导通，就可以控制高低电平的输出。

HIN=1、LIN=0 时，上管导通下管截止，输出高电平；
HIN=0、LIN=1 时，上管截止下管导通，输出低电平；
HIN=0、LIN=0 时，上管截止下管截止，输出高阻态；
HIN=1、LIN=1 时，上下管均导通，短路！！！。

看起来这个电路很完美，但需要注意的是，要控制上管导通，需要VHIN > Vs，而在上管导通时，Vout≈Vcc，也就是说，VHIN需要大于Vcc才能使上管导通，如何获取一个大于Vcc的电压是第一个问题。在MOS开关过程中，如何防止短路的发生是第二个问题。

幸运的是，上面两个问题都可以通过使用栅极驱动芯片来解决，下面我们就进入正题—IR2104芯片。
（请牢记上面的两个问题）

1、IR2104简介

IR2104 是一款高压、高电流、半桥驱动器，用于驱动功率 MOSFET 和 IGBT。内部集成死区控制电路和shutdown功能。

1.1、示例电路

typical connection

1.2、引脚定义

序号	引脚缩写	Description	引脚功能
2	IN	Logic input for gate driver outputs (HO and LO), in phase with HO	逻辑输入，控制HO和LO引脚的输出，与HO同相位
3	SD#	Logic input for shutdown	逻辑输入，低电平芯片停止工作
8	Vb	High side floating supply	高端浮动供电
7	HO	High side gate drive output	高端栅极驱动输出
6	Vs	High side floating supply return	高端浮动供电回流
1	Vcc	Low side and logic fixed supply	低端固定供电，逻辑电路供电
5	LO	Low side gate drive output	低端栅极驱动输出
4	COM	Low side return	低端回流，公共地

引脚可以分为两类

逻辑引脚
- IN引脚控制栅极驱动引脚HO和LO的输出，且HO电平与IN相同，LO电平与IN相反
- SD#引脚控制芯片工作与否，“#”表示低电平有效，即SD为低电平时芯片停止工作
驱动引脚
- VB/HO/VS 可看作一组驱动引脚，驱动高端NMOS
- Vcc/LO/COM 是一组驱动引脚，驱动低端NMOS

在引脚的英文释义中，出现了 floating 和 fixed 两个单词，意为“浮动”和“固定”，分别描述了高端和低端的驱动引脚。
此处点出，后文解释。

2、电路原理详解

还记得开头的两个关键问题吗，来回顾一下

第一个问题：如何获取一个大于Vcc的电压
第二个问题：如何防止短路的发生

解决这两个问题的方法对应两个新的名词—自举升压、死区控制
在学习它们之前，我们先搞一个图，便于分析芯片内外电路的工作过程（如下图）

内外电路图

2.1、自举升压

自举，顾名思义就是自己把自己举起来，主要通过一个电容和一个二极管来实现。

先做一个小实验，现在有一个5V电源和一个电解电容，将电源与电容并联，此时电容充电，两端电压等于5V；在将电容取下，将电容的负极与电源正极连接，测量电源负极与电容正极之间的电压。可以看到测量结果为10V。

这就是自举的含义，将自己的能量先聚集到电容，再将能量叠加，实现电压的升高。

我们来看一下自举电路实际中的工作过程。(注：HO,LO的输出也是由内部mos控制的)

当IN输入0时，LO与Vcc导通，下管导通；HO与VS导通，上管截止。同时电流从Vcc经二极管向自举电容充电。
当IN输入1时，LO与COM导通，下管截止；HO与VB导通，此时自举电容正极相当于连接HO，电容正极电压=Vbat+Vcc，同时二极管防止了电流倒灌回Vcc，上管得以导通。

但这并不是一劳永逸的（~~一次充电，终身导通~~），自举电容的容值取决于电路的控制频率和NMOS的栅源电容，所以不会很大，且驱动mos时会有些许漏电，所以需要不断的重复上述过程给电容充放电才可以维持mos的导通电压。

下面我们再来做一个实验，取一个IR2104模块，上电后给IN输入高电平，会发现上管输出只能维持一小段时间，需要IN输入低电平后再次给高电平才能恢复上管的导通。

2.2、死区控制

死区，顾名思义“死掉的区间”。

为了防止控制过程中上下管MOS同时导通，芯片内部为控制输出信号添加了“死区”，即两个MOS均不导通的区间。

不添加死区的波形图长这样
无死区
添加死区的波形图长这样

可见无死区时，半桥在切换输出状态时，上下管会同时处于不完全导通状态。这种现象轻则影响输出不稳定、功耗增加，重则导致mos发热甚至短路烧毁。

而加入死区后，半桥在切换输出状态时，会先确保上下管均处于截止状态，之后在进行切换。

结合下图数据表可知，DT的取值在400~650ns之间，这个参数可以作为MOS选型的依据。

MOS管的内电容是指沟道和栅极之间的电容，而外电容则是指沟道和外部环境之间的电容。这两个电容在切换过程中会影响电荷传输速度，从而对死区时间产生影响。一般来说，较大的内外电容会导致更长的死区时间，而较小的内外电容则会缩短死区时间。因此，在设计MOS管电路时，我们应尽量减小内外电容的大小，以减小死区时间。——from百度文库

DT数据