TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅動器深度解析

在電子工程師的日常設計工作中，尤其是涉及到空間應用等對可靠性和抗輻射性能要求極高的領域，一款性能卓越的柵極驅動器至關重要。今天我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅動器。

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一、產品概述

TPS7H60x5系列包括TPS7H6005（200V額定值）、TPS7H6015（60V額定值）和TPS7H6025（22V額定值）三款產品。它們均采用56引腳的HTSSOP塑料封裝，并且有QMLP和SEP兩種器件等級可供選擇。該系列驅動器專為高頻、高效和大電流應用而設計，可用于基于GaN的功率轉換器設計，具有30ns（典型值）的傳播延遲以及5.5ns（典型值）的高端到低端延遲匹配，能有效提升系統(tǒng)性能。

二、產品特性亮點

（一）出色的抗輻射性能

這是該系列驅動器的一大核心優(yōu)勢。它具備高達100krad(Si)的總電離劑量（TID）輻射加固保證（RHA）能力，能夠在輻射環(huán)境下穩(wěn)定工作。同時，對線性能量轉移（LET）為75 MeV - cm2 / mg的單事件瞬態(tài)（SET）、單事件燒毀（SEB）和單事件柵極破裂（SEGR）具有免疫能力，并且對LET高達75 MeV - cm2 / mg的單事件瞬態(tài)（SET）和單事件功能中斷（SEFI）進行了特性表征。這使得它在空間衛(wèi)星等輻射環(huán)境惡劣的應用中表現出色，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

（二）強大的電流驅動能力

該驅動器具有1.3A的峰值源電流和2.5A的峰值灌電流，能夠為GaN FET提供足夠的驅動電流，確保其快速、穩(wěn)定地開關，從而提高整個功率轉換電路的效率和性能。

（三）靈活的工作模式

提供兩種工作模式：單PWM輸入且死區(qū)時間可調模式和兩個獨立輸入模式。在單PWM輸入模式下，可通過調節(jié)死區(qū)時間來優(yōu)化電路性能；在獨立輸入模式下，可實現對高端和低端的獨立控制，還能選擇輸入互鎖保護功能，進一步增強了系統(tǒng)的靈活性和安全性。

（四）可調節(jié)的開關時間

采用分裂輸出設計，能夠獨立調節(jié)GaN FET的導通和關斷時間。通過在導通或關斷路徑上添加額外的阻抗，可以靈活調整開關速度，滿足不同應用場景的需求。

（五）良好的延遲特性

在獨立輸入模式下，典型傳播延遲僅為30ns，且延遲匹配典型值為5.5ns。這種低延遲和精準的延遲匹配特性有助于提高電路的開關速度和同步性，減少開關損耗和干擾。

（六）寬溫度范圍和封裝特性

產品適用于軍事溫度范圍（–55°C至125°C），能夠在極端溫度環(huán)境下正常工作。其塑料封裝經過ASTM E595標準的脫氣測試，確保在真空環(huán)境下也能穩(wěn)定可靠。

三、應用領域廣泛

（一）空間衛(wèi)星電源

在空間衛(wèi)星電源系統(tǒng)中，對電源的可靠性和抗輻射性能要求極高。TPS7H60x5系列驅動器憑借其出色的抗輻射能力和高性能的驅動特性，能夠為衛(wèi)星電源提供穩(wěn)定、高效的驅動，確保衛(wèi)星在太空輻射環(huán)境下正常運行。

（二）電機驅動

在電機驅動應用中，需要精確控制電機的轉速和轉矩。該驅動器的靈活工作模式和可調節(jié)的開關時間能夠滿足電機驅動系統(tǒng)的多樣化需求，實現對電機的精準控制，提高電機的運行效率和穩(wěn)定性。

（三）反作用輪

反作用輪是衛(wèi)星姿態(tài)控制的關鍵部件，對驅動器的性能和可靠性要求嚴格。TPS7H60x5系列驅動器能夠為反作用輪提供穩(wěn)定的驅動信號，確保其精確地調整衛(wèi)星的姿態(tài)，提高衛(wèi)星的姿態(tài)控制精度。

（四）通信和光學成像有效載荷

在通信和光學成像有效載荷中，對電源的穩(wěn)定性和高頻性能要求較高。該驅動器的高頻特性和低延遲特性能夠滿足這些應用的需求，為通信和成像設備提供穩(wěn)定、高效的電源支持，提高設備的性能和可靠性。

四、詳細設計要點

（一）電源供應

推薦的偏置電源電壓范圍為10V至14V，輸入電壓應經過良好的穩(wěn)壓和旁路處理，以確保最佳的電氣性能。BOOT電壓應保持在8V至14V之間，要盡量減小自舉充電路徑上的電壓降，防止高端驅動器意外進入欠壓鎖定狀態(tài)。在VIN和AGND引腳之間應放置一個本地旁路電容，自舉電容應放置在BOOT和ASW引腳之間，并且要盡可能靠近器件。建議使用低ESR、低ESL的陶瓷表面貼裝電容（如X7R或更好的材質）。

（二）線性穩(wěn)壓器

驅動器內部包含三個線性穩(wěn)壓器：BP5L、BP7L和BP5H。BP5L和BP7L位于低端，分別提供5V和7V的標稱輸出電壓，用于為低端邏輯電路和驅動器供電；BP5H位于高端，以BOOT電壓為輸入，為高端邏輯電路和外部FET提供5V的柵極電壓。每個穩(wěn)壓器的輸出端都需要連接一個至少1μF的電容，并且除了文檔中指定的位置外，不建議對這些穩(wěn)壓器進行外部加載。

（三）自舉電路

自舉電路對于高端柵極驅動器的正常工作至關重要。驅動器提供了多種自舉電容充電方式，包括通過內部自舉開關充電、直接從VIN充電以及雙充電方式。在選擇自舉組件時，需要考慮多個因素。自舉電容的選擇應遵循其值至少為高端GaN FET柵極電容的10倍的原則，并且要根據具體應用計算其最小容量。自舉二極管應選擇能夠承受輸入電壓、處理啟動期間峰值瞬態(tài)電流、具有低正向電壓降、低結電容和快速恢復時間的器件。自舉電阻的作用是限制啟動期間的峰值電流和控制BOOT端的壓擺率，建議使用至少2Ω的電阻。

（四）輸入和輸出

輸入引腳PWM_LI和EN_HI具有約200kΩ（典型值）的內部下拉電阻，其功能根據驅動器的工作模式而有所不同。在PWM模式下，PWM_LI作為單PWM控制信號的輸入引腳，EN_HI作為驅動器的使能引腳；在獨立輸入模式下，PWM_LI和EN_HI分別作為低端和高端的輸入引腳。輸入信號的電壓應不超過14V，并且建議使用壓擺率大于2V/μs的輸入信號。驅動器的高端和低端均采用分裂輸出設計，分別為HOH、HOL和LOH、LOL。這些輸出能夠提供1.3A的源電流和2.5A的灌電流（典型值），并且可以通過在GaN器件的導通或關斷路徑上添加額外的阻抗來獨立調整開關時間。

（五）死區(qū)時間

在PWM模式下，需要在DLH和DHL引腳連接電阻到AGND來編程死區(qū)時間。DHL電阻設置高端輸出（HO）關斷到低端（LO）輸出導通之間的死區(qū)時間，DLH電阻設置低端（LO）關斷到高端（HO）導通之間的死區(qū)時間。死區(qū)時間的選擇要謹慎，以防止高端和低端開關之間的交叉導通，同時盡量減少這段時間內的損耗。推薦使用公差為1%或更好的電阻。

（六）輸入互鎖保護

在獨立輸入模式下，驅動器可以配置輸入互鎖保護功能。當啟用互鎖保護時，將DHL連接到5V，DLH通過一個阻值在100kΩ至220kΩ之間的電阻連接到AGND。這種保護機制可以防止半橋配置中GaN FET的直通現象，提高功率級的魯棒性和可靠性。在保護啟用且兩個輸入均為邏輯高電平時，內部邏輯會將兩個輸出關閉，直到其中一個輸入變?yōu)榈碗娖剑敵霾艜S輸入邏輯。為了提高在噪聲環(huán)境中的魯棒性，可以在驅動器的輸入端使用小濾波器。

（七）欠壓鎖定和電源良好指示

驅動器對內部穩(wěn)壓器以及VIN和BOOT電壓提供欠壓鎖定保護。當任何一個低端線性穩(wěn)壓器或VIN的輸出電壓低于欠壓鎖定閾值時，PWM輸入將被忽略，以防止GaN FET部分導通。當高端欠壓鎖定觸發(fā)時，只有高端輸出會被拉低。PGOOD引腳用于指示低端線性穩(wěn)壓器是否進入欠壓鎖定狀態(tài)。當所有低端穩(wěn)壓器和VIN的電壓超過各自的上升欠壓鎖定閾值時，PGOOD引腳進入邏輯高電平狀態(tài)；當任何一個線性穩(wěn)壓器或VIN的電壓低于相應的下降欠壓鎖定閾值時，PGOOD引腳保持或變?yōu)檫壿嫷碗娖?。建議在PGOOD引腳和BP5L之間連接一個10kΩ的上拉電阻。

（八）負SW電壓瞬變處理

雖然增強型GaN FET不像硅FET那樣具有體二極管，但由于其對稱的器件結構，能夠進行反向傳導。在反向傳導期間，SW引腳可能會出現負電壓瞬變，這可能導致自舉電壓過高。為了避免這種情況，需要確保BOOT到SW的最大電壓差不超過絕對最大值16V?？梢栽贐OOT和SW之間使用外部齊納二極管來鉗位自舉電壓，使其保持在可接受的范圍內。

五、布局設計建議

（一）減小環(huán)路電感

將GaN FET盡可能靠近柵極驅動器放置，以減小整體環(huán)路電感。這樣可以將為GaN FET柵極充電和放電的峰值電流限制在印刷電路板上的最小物理區(qū)域內，從而減少噪聲耦合問題，提高電路的穩(wěn)定性和性能。

（二）優(yōu)化自舉充電路徑

由于自舉充電路徑可能包含高峰值電流，因此需要盡量減小其環(huán)路面積。根據所選的自舉充電方法，合理放置自舉電容和二極管，以確保充電過程的高效和穩(wěn)定。

（三）合理放置旁路電容

將所有旁路電容（如VIN到AGND、BP5L到AGND、BP5H到ASW、BOOT到ASW）盡可能靠近器件和相應的引腳放置。建議使用低ESR和低ESL的電容，并且如果可能的話，將這些電容放置在印刷電路板與柵極驅動器相同的一側，以提高旁路效果。

（四）分離電源和信號走線

在印刷電路板設計中，應將電源走線和信號走線分開，盡量減少不同層上信號的重疊。這樣可以避免電源噪聲對信號的干擾，提高電路的抗干擾能力。

（五）縮短連接路徑

使用短且低電感的路徑將PSW連接到高端FET源極，將PGND連接到低端FET源極，以減少開關期間寄生電感對驅動器的影響，防止出現過大的負電壓瞬變。

（六）加強去耦措施

為了防止輸入電源總線上出現過大的振鈴現象，需要在GaN FET附近放置低ESR電容，以提供良好的去耦效果，穩(wěn)定電源電壓。

六、總結

TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅動器憑借其出色的抗輻射性能、強大的電流驅動能力、靈活的工作模式和可調節(jié)的開關時間等優(yōu)點，成為空間衛(wèi)星電源、電機驅動等應用領域的理想選擇。在設計過程中，工程師需要充分考慮電源供應、線性穩(wěn)壓器、自舉電路、輸入輸出、死區(qū)時間、輸入互鎖保護、欠壓鎖定等多個方面的因素，并遵循合理的布局設計建議，以充分發(fā)揮該驅動器的性能優(yōu)勢，設計出高效、可靠的功率轉換電路。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。