IRS2153DPBF Analisi Tecnica e Guida alla Progettazione del Chip Driver Half-Bridge

  ^{21 agosto 2025 Notizie — Con i rapidi progressi della tecnologia dei motori e dell'elettronica di potenza, il chip driver half-bridge IRS2153DPBF sta diventando una soluzione fondamentale nel controllo dei motori industriali grazie alle sue eccezionali prestazioni tecniche e all'elevata affidabilità. Utilizzando un'avanzata tecnologia IC ad alta tensione a 600 V, il chip supporta un'ampia gamma di tensioni operative VCC da 10 V a 20 V, con una corrente di riposo di soli 1,7 mA (tipica) e una corrente di standby inferiore a 100μA. Integra un diodo bootstrap e un circuito di level-shift, fornendo un efficiente supporto di pilotaggio half-bridge per condizionatori d'aria a frequenza variabile, servocomandi industriali e alimentatori switching. La frequenza di commutazione massima raggiunge i 200 kHz, con una propagazione}

^{accuratezza di corrispondenza del ritardo fino a 50 ns.}

^{L'IRS2153DPBF adotta un package PDIP-8 standard che misura 9,81 mm×6,35 mm×4,45 mm, integrando un diodo bootstrap e la funzionalità di level-shift. Il chip incorpora un circuito di corrispondenza del ritardo di propagazione con un valore tipico di 50 ns, mentre i ritardi di propagazione del pilotaggio high-side e low-side sono rispettivamente 480 ns e 460 ns (a VCC=15 V). Il suo intervallo di temperatura di giunzione operativa va da -40℃ a 150℃, con un intervallo di temperatura di stoccaggio da -55℃ a 150℃. Il materiale del package senza piombo è conforme agli standard RoHS. La logica di ingresso è compatibile con i livelli CMOS a 3,3 V/5 V e lo stadio di uscita utilizza una struttura totem-pole con correnti di uscita di picco che raggiungono +290 mA/-600 mA.}

^{Il chip integra una protezione completa contro il sottotensione (UVLO), con soglie UVLO high-side e low-side di 8,7 V/8,3 V (accensione/spegnimento) e rispettivamente 8,9 V/8,5 V, con una tensione di isteresi di 50 mV. Prodotto utilizzando un'avanzata tecnologia CMOS a prova di rumore, fornisce un'immunità al rumore di modo comune di ±50 V/ns e un'immunità dV/dt fino a 50 V/ns. Il tempo morto interno fisso di 520 ns previene efficacemente il cortocircuito, supportando al contempo l'estensione del tempo morto esterno. Il diodo bootstrap offre una tolleranza alla tensione inversa di 600 V, una corrente diretta di 0,36 A e un tempo di recupero inverso di soli 35 ns.} 

^{1. Condizionatori d'aria a frequenza variabile: supporta una frequenza di commutazione PWM di 20 kHz con capacità di corrente di pilotaggio che soddisfa la maggior parte dei requisiti IGBT e MOSFET}

^{2. Servocomandi industriali: in grado di pilotare strutture half-bridge in inverter trifase con supporto per una frequenza di commutazione di 100 kHz}

^{3. Raddrizzamento sincrono dell'alimentatore switching: raggiunge un'efficienza di conversione superiore al 95%, particolarmente adatto per alimentatori di comunicazione e server}

^{4. Moduli di alimentazione ad alta densità: il suo design compatto del package consente densità di potenza superiori a 50 W/in³}

Caratteristiche aggiuntive:

^{Tensione diretta del diodo: 1,3 V (tipica) a IF=0,1 A
Tempo di recupero inverso: 35 ns (max)
Resistenza di uscita: 4,5Ω (tipica) in stato alto
Immunità dV/dt: ±50 V/ns (min)
Temperatura di stoccaggio: da -55℃ a 150℃
Resistenza termica del package: 80℃/W (θJA)}

1. Pin VCC: richiede il collegamento in parallelo di un condensatore ceramico da 0,1μF e un condensatore elettrolitico da 10μF
 

2. Condensatore bootstrap: condensatore ceramico X7R da 0,1μF/25 V consigliato con tolleranza ≤±10%
 

3. Pilotaggio gate: resistenze di gate da 10Ω in serie (potenza nominale ≥0,5 W) sia per le uscite high-side che low-side

4.Protezione da sovratensione: aggiungere un diodo Zener da 18 V/1 W tra VS e COM
 

5. Diodo bootstrap: diodo a recupero ultraveloce con tempo di recupero inverso <35 ns e tensione inversa nominale ≥600 V

6.Layout PCB:
   Posizionare i componenti bootstrap il più vicino possibile al chip
   Mantenere una distanza minima di 2 mm per le tracce ad alta tensione
   Implementare una connessione a stella per la massa di potenza e la massa di controllo

Descrizione del progetto

Topologia del circuito: questo progetto adotta un'architettura di pilotaggio half-bridge, con l'IRS2153DPBF come chip driver principale, combinato con MOSFET di potenza esterni per formare un circuito half-bridge completo. Sia i canali di pilotaggio high-side che low-side integrano strutture di alimentazione bootstrap per garantire un'erogazione di potenza stabile per il pilotaggio high-side.

Specifiche di selezione dei componenti chiave

^{1. Resistenze di gate (R1, R2)}

^{Resistenza: 10Ω ±1%}

^{Potenza nominale: 0,5 W (requisito minimo)}

^{Tipo: resistore a film metallico, tensione di tenuta ≥50 V}

^{Coefficiente di temperatura: ±50 ppm/℃}

^{2.Resistore bootstrap (R3)}

^{Resistenza: 100Ω ±5%}

^{Funzione: limita la corrente di carica del condensatore bootstrap}

^{Potenza nominale: 0,25 W}

^{3.Resistenze di rilevamento della corrente (R4-R10)}

^{Resistenza: 0,1Ω ±1%}

^{Potenza nominale: 2 W (in base al calcolo della corrente massima)}

^{Tipo: resistore a lamina metallica, design a bassa induttanza}

^{Coefficiente di temperatura: ±50 ppm/℃}

^{4.Resistenze della rete divisoria di tensione (R11-R20)}

^{Tolleranza di resistenza: ±1%}

^{Coefficiente di temperatura: ±25 ppm/℃}

^{Tensione nominale: ≥100 V}

^{Requisiti di layout e routing}

^{1. Layout del loop di alimentazione}

^{Area del loop di commutazione high-side ≤ 2 cm²}

^{Loop di commutazione low-side disposto simmetricamente con il loop high-side}

^{Massa di potenza progettata con connessione a stella}

^2.Routing delle tracce del segnale

^{Lunghezza della traccia del segnale di pilotaggio ≤ 5 cm}

^{Routing della coppia differenziale con spaziatura = 2× larghezza della traccia}

^{Le tracce del segnale attraversano le tracce di alimentazione perpendicolarmente; evitare il routing parallelo}

^{3.Considerazioni sulla progettazione termica}

^{I resistori di potenza utilizzano un design di dissipazione del calore sul lato inferiore}

^{Area di rame sul retro del chip ≥ 25 mm²}

^{Array di via termiche: passo di 1,2 mm, diametro di 0,3 mm}

Progettazione del circuito di protezione

^{1. Protezione da sovracorrente}

^{Circuito comparatore con tempo di risposta di 100 ns}

^{Soglia di protezione: 25 A ±5%}

^{Tempo di blanking hardware: 200 ns}

^{2.Protezione da sovratemperatura}

^{Sensore di temperatura posizionato al centro del dispositivo di alimentazione}

^{Soglia di protezione: 125℃ ±5%}

^{Intervallo di isteresi: 15℃}

^{3.Protezione da sottotensione}

^{Blocco di sottotensione VCC: 8,7 V/8,3 V (accensione/spegnimento)}

^{Rilevamento sottotensione VB: 10,5 V ±0,2 V}

^{Isteresi di recupero della protezione: 0,4 V}

^{Progettazione dell'affidabilità}

^{1. Progettazione di derating}

^{Derating di potenza del resistore: <75% del valore nominale}

^{Derating della sollecitazione di tensione: <80% del valore nominale}

^{Derating della sollecitazione di corrente: <70% del valore nominale}

^{2.Adattabilità ambientale}

^{Temperatura di esercizio: da -40℃ a 125℃}

^{Intervallo di umidità: dal 5% al 95% RH}

^{Grado di protezione: IP20}

^{3. Indicatori di durata}

^{Durata di progettazione: >100.000 ore}

^{MTBF: >500.000 ore}

^{Tasso di guasto: <100 ppm}

Nota: questa analisi si basa sulla documentazione tecnica IRS2153DPBF; fare riferimento alla scheda tecnica ufficiale per i dettagli specifici del progetto.