电动工具中七种高边驱动方案分析
other parts discussed in post: lm5060, bq76200, ucc27284
作者：jimmy zhou
在无绳电动工具应用中，电池包的电压通常为16v、20v、24v、40v、60v和80v，会使用机械开关控制驱动板供电，但是由于机械开关的特性，会存在开关火花、寿命、体积等缺点。
图1：电动工具中机械开关应用
在电动工具中，引入高边驱动方案，除了避免传统机械开关的固有缺点，同时具有可控强、导通时间可调整、支持多包并联、短路保护、体积小等优点。如图2所示，高边驱动ic会产生高出电池包12v的电压，通过控制mos的gate电压，可以控制主回路通断。
图2：电动工具中高边驱动芯片方案
1.支持多包并联的lm5050
lm5050是high side oring fet controller，工作电压支持1v – 75v，最大承受电压支持100v。lm5050通过检测vds上电压，控制vgs上电压，实现理想二极管的功能。同时因为lm5050内部已经集成了电荷泵，供电电压无需高于电池包电压。在无绳电动工具中，可以通过多包并联方式，提升整体的电池容量，也可以实现不同电压等级电池包并联。如图3所示，通过电池包输出串联mos的源级，经由lm5050的控制，可以实现多个电池包并联。
图3：lm5050 应用多包并联方案
2.支持高边驱动的lm5060
lm5060是high side protection controller，工作电压支持5.5v- 65v，支持过压保护、欠压保护和过流保护，可调整的开通时间，通过控制en引脚电压，可以开断输出。lm5060内部集成了电荷泵，不需要额外供电，可以实现24ua门极充电电流和80ma的门极放电电流。lm5060的功耗较大，工作电流1.4ma，失能电流为9ua。
图4：lm5060 高边驱动方案
3.支持high side back-to-back mos驱动的bq76200
bq76200是high side nfet 驱动芯片，工作电压8v – 75v，最高承受100v电压，可以分别控制两个back-to-back mos。相比lm5060，bq76200的工作电流为40ua，失能状态下，内部电荷泵模块也会失能，静态电流不超过10ua，更适合电池供电系统。同时，充电mos和放电mos可以分别独立控制，灵活性更高。
图5：支持充电/放电独立控制的bq76200
4. 支持ideal diode模式和输出开断模式的 lm7480x
lm7480x是back-to-back nfet的驱动器，同时支持ideal diode模式和输出开断控制，输入电压支持3v – 65v，有-65v反向电压承受能力，驱动开通电流20ma，驱动关断电流2.6a，工作电流413ua，失能下静态电流2.87ua。lm7480x即有lm5050的ideal diode模式，也具备lm5060输出开断控制。
图6：同时支持ideal diode模式和输出开断模式的 lm7480x
5.使用半桥驱动芯片实现高边back-to-back nfet驱动
对于之前的驱动ic，电池电压不超过80v，驱动电流也相对小，开关速度较慢。对于80v以上的back-to-back nfet驱动，可以考虑图6的方案（application report sluaa58）。如图6所示，通过半桥驱动芯片，例如ucc27284，构建电荷泵，把电荷泵电容电压提升12v。通过上桥臂的逻辑电平，可以控制功率回路的通断。同时，一般的半桥驱动ic的工作电流较大，工作电流达ma级别；失能条件下，静态电流为7ua。从驱动能力上看，整体上取决于电荷泵电容和驱动电阻，在供电电压12v，驱动电阻8.25Ω，电荷泵电容470nf等条件下，驱动电流为1.68a，开通关断时间小于0.5us。
图7：使用半桥驱动实现高边驱动
最后，从母线电压、功能、驱动能力、静态电流等角度，给出以上5种方式的对比表格。
表1：5种高边驱动方式的对比表格
lm5050
lm5060
bq76200
lm7480x
circuit in sluaa58
function
ideal diode controller
high side protection controller
high side back-to-back mos driver
ideal diode controller, high side mos driver
high side back-to-back mos driver
bus voltage
75v
65v
75v
65v
>100v
normal mode current
420ua
1.4ma
40ua
413ua
1.1ma
shut down mode current
-
9ua
10ua
2.8ua
7ua
gate charge current
30ua
24ua
10.9ma/3.4ma
20ma
depends on charge-pump capacitor and gate resistor（several amperes）
gate discharge current
2.8a
80ma
40ma/12ma
2.6a
其他信息
lm5050应用手册：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5050-1.pdf lm5060应用手册：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5060.pdf bq76200应用手册：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq76200.pdf lm7480x应用手册：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm7480-q1.pdf sluaa58 application report应用文档：https://www.ti.com/lit/an/sluaa58/sluaa58.pdf ucc27284技术手册：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc27284.pdf
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作者：jimmy zhou
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图1：电动工具中机械开关应用
在电动工具中，引入高边驱动方案，除了避免传统机械开关的固有缺点，同时具有可控强、导通时间可调整、支持多包并联、短路保护、体积小等优点。如图2所示，高边驱动ic会产生高出电池包12v的电压，通过控制mos的gate电压，可以控制主回路通断。
图2：电动工具中高边驱动芯片方案
1.支持多包并联的lm5050
lm5050是high side oring fet controller，工作电压支持1v – 75v，最大承受电压支持100v。lm5050通过检测vds上电压，控制vgs上电压，实现理想二极管的功能。同时因为lm5050内部已经集成了电荷泵，供电电压无需高于电池包电压。在无绳电动工具中，可以通过多包并联方式，提升整体的电池容量，也可以实现不同电压等级电池包并联。如图3所示，通过电池包输出串联mos的源级，经由lm5050的控制，可以实现多个电池包并联。
图3：lm5050 应用多包并联方案
2.支持高边驱动的lm5060
lm5060是high side protection controller，工作电压支持5.5v- 65v，支持过压保护、欠压保护和过流保护，可调整的开通时间，通过控制en引脚电压，可以开断输出。lm5060内部集成了电荷泵，不需要额外供电，可以实现24ua门极充电电流和80ma的门极放电电流。lm5060的功耗较大，工作电流1.4ma，失能电流为9ua。
图4：lm5060 高边驱动方案
3.支持high side back-to-back mos驱动的bq76200
bq76200是high side nfet 驱动芯片，工作电压8v – 75v，最高承受100v电压，可以分别控制两个back-to-back mos。相比lm5060，bq76200的工作电流为40ua，失能状态下，内部电荷泵模块也会失能，静态电流不超过10ua，更适合电池供电系统。同时，充电mos和放电mos可以分别独立控制，灵活性更高。
图5：支持充电/放电独立控制的bq76200
4. 支持ideal diode模式和输出开断模式的 lm7480x
lm7480x是back-to-back nfet的驱动器，同时支持ideal diode模式和输出开断控制，输入电压支持3v – 65v，有-65v反向电压承受能力，驱动开通电流20ma，驱动关断电流2.6a，工作电流413ua，失能下静态电流2.87ua。lm7480x即有lm5050的ideal diode模式，也具备lm5060输出开断控制。
图6：同时支持ideal diode模式和输出开断模式的 lm7480x
5.使用半桥驱动芯片实现高边back-to-back nfet驱动
对于之前的驱动ic，电池电压不超过80v，驱动电流也相对小，开关速度较慢。对于80v以上的back-to-back nfet驱动，可以考虑图6的方案（application report sluaa58）。如图6所示，通过半桥驱动芯片，例如ucc27284，构建电荷泵，把电荷泵电容电压提升12v。通过上桥臂的逻辑电平，可以控制功率回路的通断。同时，一般的半桥驱动ic的工作电流较大，工作电流达ma级别；失能条件下，静态电流为7ua。从驱动能力上看，整体上取决于电荷泵电容和驱动电阻，在供电电压12v，驱动电阻8.25Ω，电荷泵电容470nf等条件下，驱动电流为1.68a，开通关断时间小于0.5us。
图7：使用半桥驱动实现高边驱动
最后，从母线电压、功能、驱动能力、静态电流等角度，给出以上5种方式的对比表格。
表1：5种高边驱动方式的对比表格
lm5050
lm5060
bq76200
lm7480x
circuit in sluaa58
function
ideal diode controller
high side protection controller
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bus voltage
75v
65v
75v
65v
>100v
normal mode current
420ua
1.4ma
40ua
413ua
1.1ma
shut down mode current
-
9ua
10ua
2.8ua
7ua
gate charge current
30ua
24ua
10.9ma/3.4ma
20ma
depends on charge-pump capacitor and gate resistor（several amperes）
gate discharge current
2.8a
80ma
40ma/12ma
2.6a
其他信息
lm5050应用手册：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5050-1.pdf lm5060应用手册：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5060.pdf bq76200应用手册：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq76200.pdf lm7480x应用手册：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm7480-q1.pdf sluaa58 application report应用文档：https://www.ti.com/lit/an/sluaa58/sluaa58.pdf ucc27284技术手册：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc27284.pdf
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