电动工具中七种高边驱动方案分析

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，ZD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，ZG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。

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8.25?，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。

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