IR2104详解
摘要：从NMOS到半桥驱动
关键词：NMOS、半桥、死区、自举升压
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。
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)。
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！！！（重点警告）
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，后续将重点讲解解决方案
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（核心特性）。
1.1、示例电路
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，便于记忆： |
-
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 ：一组驱动引脚，驱动高端NMOS
- Vcc/LO/COM ：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，后文详细解释。
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核心技术名词—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）
2.1、自举升压（解决“获取大于Vcc电压”问题）
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（核心元器件）。
先做一个小实验，帮助理解：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。
这就是自举的核心原理：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)
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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。
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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。
注意：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。
补充实验验证：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（解决“防止短路”问题）
死区，顾名思义“死掉的区间”，核心作用是防止半桥上下管同时导通。
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（核心定义）。
不添加死区的波形图长这样：
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（严重后果）。
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，之后再进行切换，从根源上避免短路。
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选型的重要依据。
补充知识点：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
3、总结
IR2104通过“自举升压”解决高端MOS管导通所需电压大于Vcc的问题，通过“死区控制”避免上下管同时导通导致的短路，内部集成的逻辑控制和保护功能，使其成为半桥驱动电路的常用芯片，两片IR2104可搭建全桥电路实现电机正反转控制。
作者
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