TI TPS7H60x3-SP：適用于太空應(yīng)用的氮化鎵場效應(yīng)晶體管柵極驅(qū)動(dòng)器

引言

在電子工程師的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，尤其是涉及到太空應(yīng)用時(shí)，對(duì)器件的性能、穩(wěn)定性和抗輻射能力有著極高的要求。德州儀器（TI）的TPS7H60x3-SP系列輻射加固（RHA）氮化鎵（GaN）場效應(yīng)晶體管（FET）柵極驅(qū)動(dòng)器就是為滿足這些苛刻需求而設(shè)計(jì)的。該系列產(chǎn)品包括TPS7H6003-SP（額定200V）、TPS7H6013-SP（額定60V）和TPS7H6023-SP（額定22V），為高頻、高效應(yīng)用提供了出色的解決方案。

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核心特性

輻射性能卓越

在太空環(huán)境中，輻射是影響電子器件性能和壽命的關(guān)鍵因素。TPS7H60x3-SP系列具有出色的輻射性能，能夠承受高達(dá)100krad(Si)的總電離劑量（TID）輻射。同時(shí)，它對(duì)單粒子鎖定（SEL）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子?xùn)艠O破裂（SEGR）免疫，線性能量轉(zhuǎn)移（LET）高達(dá)75 MeV - cm2/mg，在LET = 75 MeV - cm2/mg的條件下對(duì)單粒子瞬態(tài)（SET）和單粒子功能中斷（SEFI）也有良好的表現(xiàn)。這使得它能夠在太空輻射環(huán)境下穩(wěn)定可靠地工作，大大提高了系統(tǒng)的整體可靠性。

強(qiáng)大的電流驅(qū)動(dòng)能力

該系列驅(qū)動(dòng)器具有1.3A的峰值源電流和2.5A的峰值灌電流，能夠?yàn)镚aN FET提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，確保其快速、穩(wěn)定地開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。

靈活的工作模式

• 單PWM輸入模式：具有可調(diào)節(jié)的死區(qū)時(shí)間，適合需要精確控制開關(guān)時(shí)間的應(yīng)用場景。
• 雙獨(dú)立輸入模式：提供了更大的靈活性，可以獨(dú)立控制高側(cè)和低側(cè)的輸出。在雙獨(dú)立輸入模式下，還可以選擇輸入互鎖保護(hù)功能，防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。

快速的響應(yīng)時(shí)間

在獨(dú)立輸入模式下，典型傳播延遲僅為30ns，并且具有5.5ns的典型延遲匹配，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的開關(guān)控制，減少開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率。

獨(dú)立的開關(guān)時(shí)間調(diào)節(jié)

采用了分離式輸出設(shè)計(jì)，可分別調(diào)整開啟和關(guān)閉時(shí)間，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求優(yōu)化驅(qū)動(dòng)信號(hào)，提高系統(tǒng)性能。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

太空衛(wèi)星電源系統(tǒng)

太空衛(wèi)星對(duì)電源系統(tǒng)的可靠性和效率要求極高。TPS7H60x3-SP系列可以應(yīng)用于衛(wèi)星電源的各個(gè)模塊，如通信有效載荷、命令和數(shù)據(jù)處理單元、光學(xué)成像有效載荷以及衛(wèi)星電力系統(tǒng)等，為衛(wèi)星的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的電源支持。

高頻、高效電源轉(zhuǎn)換器

由于其快速的開關(guān)速度和低損耗特性，該系列驅(qū)動(dòng)器非常適合用于設(shè)計(jì)高頻、高效的電源轉(zhuǎn)換器，如同步降壓轉(zhuǎn)換器、全橋轉(zhuǎn)換器等，能夠提高電源的功率密度和效率。

技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

輸入電壓與線性穩(wěn)壓器

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，TPS7H60x3-SP的輸入電壓必須在10V至14V之間。該電壓為兩個(gè)低側(cè)線性穩(wěn)壓器BP5L和BP7L提供輸入，同時(shí)還用于為外部高側(cè)自舉電容充電。為了獲得最佳性能，建議在VIN和AGND之間添加一個(gè)旁路電容，并且該電容應(yīng)盡可能靠近柵極驅(qū)動(dòng)器放置，通常其值至少是自舉電容值的十倍。

內(nèi)部集成了三個(gè)線性穩(wěn)壓器：BP5L、BP7L和BP5H。BP5L和BP7L位于低側(cè)，分別提供5V和7V的標(biāo)稱輸出電壓。BP5L用于為低側(cè)邏輯電路和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電壓供電，其精度為5V ± 3.5%，以確保為GaN FET提供合適的驅(qū)動(dòng)電壓。BP7L則為驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的低側(cè)發(fā)射器供電。在高側(cè)，BOOT引腳的電壓作為高側(cè)線性穩(wěn)壓器BP5H的輸入，該穩(wěn)壓器為高側(cè)邏輯電路供電，并為外部FET提供5V ± 3.5%的高側(cè)柵極電壓。每個(gè)線性穩(wěn)壓器的輸出引腳都需要連接一個(gè)至少1μF的電容，以確保穩(wěn)定的輸出。

自舉電路設(shè)計(jì)

為了在半橋配置中為高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器電路提供電源，TPS7H60x3-SP需要使用自舉電路。自舉電容的選擇對(duì)于柵極驅(qū)動(dòng)器的正常運(yùn)行至關(guān)重要，一般建議其值至少是高側(cè)GaN FET柵極電容的10倍。自舉電容的充電方式有多種選擇：

• 通過內(nèi)部自舉開關(guān)充電：內(nèi)部自舉開關(guān)連接在VIN和BST引腳之間，外部自舉二極管連接在BST（陽極）和BOOT（陰極）之間。只有當(dāng)?shù)蛡?cè)驅(qū)動(dòng)器輸出導(dǎo)通時(shí)，自舉開關(guān)才會(huì)導(dǎo)通，這樣可以減少自舉電容上的最大電壓。內(nèi)部自舉開關(guān)具有1kΩ的并聯(lián)電阻，在啟動(dòng)前可以緩慢充電自舉電容。
• 直接從VIN充電：這是半橋驅(qū)動(dòng)器常用的充電方法，對(duì)于低側(cè)FET不能立即導(dǎo)通的情況尤為有用。例如，在使用TPS7H60x3-SP與TPS7H500x-SP系列中的某些控制器時(shí)，由于同步整流輸出在軟啟動(dòng)期間被禁用，自舉電容無法通過內(nèi)部自舉開關(guān)充電，此時(shí)可以選擇直接從VIN充電。為了防止自舉電容過充，可以在自舉電容串聯(lián)一個(gè)電阻、并聯(lián)一個(gè)齊納二極管或兩者結(jié)合使用。
• 雙充電模式：結(jié)合了自舉開關(guān)和直接從VIN充電的方法，既可以避免啟動(dòng)時(shí)由于低側(cè)FET未導(dǎo)通而導(dǎo)致的自舉充電問題，又可以利用內(nèi)部開關(guān)在正常運(yùn)行時(shí)降低自舉電壓。但這種模式需要額外的元件，增加了成本和電路板空間。

死區(qū)時(shí)間設(shè)置

在PWM模式下，需要在DLH和DHL引腳連接到AGND的電阻來設(shè)置死區(qū)時(shí)間。DHL引腳的電阻設(shè)置高側(cè)輸出（HO）關(guān)斷到低側(cè)（LO）輸出導(dǎo)通之間的死區(qū)時(shí)間，DLH引腳的電阻設(shè)置低側(cè)（LO）關(guān)斷到高側(cè)（HO）導(dǎo)通之間的死區(qū)時(shí)間。通過合理選擇電阻值，可以在5ns至100ns的范圍內(nèi)設(shè)置死區(qū)時(shí)間，以防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，減少開關(guān)損耗。

輸入互鎖保護(hù)

在獨(dú)立輸入模式下，TPS7H60x3-SP可以配置輸入互鎖保護(hù)功能。要啟用該功能，需要將DHL連接到BP5L，同時(shí)在DLH和AGND之間連接一個(gè)阻值在100kΩ至220kΩ之間的電阻。該功能可以防止半橋配置中的GaN FET發(fā)生直通現(xiàn)象，提高功率級(jí)的穩(wěn)健性和可靠性。當(dāng)兩個(gè)輸入都為邏輯高電平時(shí)，內(nèi)部邏輯會(huì)將兩個(gè)輸出都關(guān)閉，直到其中一個(gè)輸入變?yōu)榈碗娖?，輸出才?huì)跟隨輸入邏輯變化。

欠壓鎖定和電源良好指示

TPS7H60x3-SP在BP5L、BP7L、BP5H、BOOT和VIN上都具有欠壓鎖定（UVLO）功能。當(dāng)任何一個(gè)低側(cè)線性穩(wěn)壓器或VIN的輸出電壓低于UVLO閾值時(shí)，PWM輸入將被忽略，以防止GaN FET部分導(dǎo)通。此時(shí)，UVLO會(huì)主動(dòng)將LO和HO拉低。當(dāng)?shù)蛡?cè)穩(wěn)壓器和VIN都高于各自的UVLO閾值，但高側(cè)UVLO之一被觸發(fā)時(shí)，只有HO會(huì)被拉低。

此外，該驅(qū)動(dòng)器還有一個(gè)電源良好（PGOOD）引腳，用于指示任何低側(cè)線性穩(wěn)壓器是否進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)。當(dāng)所有低側(cè)穩(wěn)壓器和VIN都超過各自的上升UVLO閾值時(shí)，PGOOD引腳進(jìn)入邏輯高電平狀態(tài)；如果其中任何一個(gè)線性穩(wěn)壓器或VIN低于相應(yīng)的下降UVLO閾值，PGOOD引腳將變?yōu)榛虮３诌壿嫷碗娖?。建議在PGOOD和BP5L之間連接一個(gè)10kΩ的上拉電阻。

典型應(yīng)用案例

以一個(gè)高電壓同步降壓轉(zhuǎn)換器為例，詳細(xì)介紹TPS7H6003-SP的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)要求

• 功率級(jí)輸入電源電壓：100V
• 輸出電壓：28V
• 輸出電流：10A
• 開關(guān)頻率：500kHz
• 柵極驅(qū)動(dòng)器輸入電壓：12V
• 占空比：標(biāo)稱28%，最大約35%
• 電感：15μH
• GaN FET：EPC2307（僅用于評(píng)估）
• 工作模式：PWM

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

自舉和旁路電容選擇

自舉電容需要在正常運(yùn)行期間保持電壓高于BOOT UVLO下降閾值。首先計(jì)算自舉電容上的最大允許電壓降?VBOOT： [?VBOOT ≈ VIN - (n × VF) - VBOOT_UVLO = 12V - (1 × 0.9V) - 6.65V = 4.35V] 為了留出足夠的余量并考慮到自舉電阻上的額外電壓降和負(fù)載瞬變，選擇?VBOOT為1.5V進(jìn)行電容計(jì)算。 先計(jì)算總電荷量Qtotal： [Qtotal = Qg + IQBG × (DMAX / fSW) + (IQHS / fSW) = 10.6nC + 20μA × (0.35 / 500kHz) + (4mA / 500kHz) = 18.6nC] 再計(jì)算自舉電容值CBOOT： [CBOOT ≥ Qtotal / ?VBOOT = 18.6nC / 1.5V = 12.4nF] 考慮到電容隨溫度和施加電壓的變化以及可能的負(fù)載瞬變影響，選擇100nF的X7R電容。

VIN電容需要大于自舉電容，一般建議至少是自舉電容值的十倍，因此選擇2.2μF和1μF的陶瓷X7R電容。同時(shí)，BP5H、BP5L和BP7L輸出端也應(yīng)選擇高質(zhì)量的1μF X7R陶瓷電容，并盡可能靠近相應(yīng)引腳放置。

自舉二極管選擇

自舉二極管需要有足夠的耐壓能力，以阻擋同步降壓應(yīng)用中功率轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)輸入電壓。當(dāng)功率級(jí)輸入電壓較高時(shí)，可能需要串聯(lián)多個(gè)二極管。此外，二極管還需要能夠承受柵極驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)期間的峰值電流，并且具有低正向電壓降、低結(jié)電容和快速恢復(fù)時(shí)間。對(duì)于該評(píng)估設(shè)置，選擇了一個(gè)150V、1A額定的肖特基二極管，其結(jié)電容為110pF。

防止BP5x過沖和欠沖

盡管TPS7H6003-SP內(nèi)部有高側(cè)和低側(cè)線性穩(wěn)壓器（BP5H和BP5L）來提供穩(wěn)定的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，但PCB布局和GaN FET的寄生電感和電容可能會(huì)導(dǎo)致開關(guān)期間柵極驅(qū)動(dòng)波形出現(xiàn)瞬態(tài)振鈴。這種振鈴可能會(huì)導(dǎo)致電壓峰值超過所選GaN FET的絕對(duì)最大VGS額定值，或者在關(guān)斷期間違反最小VGS額定值。為了減輕振蕩幅度并避免過度振鈴，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)盡可能靠近被驅(qū)動(dòng)的GaN FET放置，并且可以使用柵極電阻。在該設(shè)計(jì)中，選擇2Ω的電阻用于開啟和關(guān)斷柵極路徑。

柵極電阻選擇

TPS7H6003-SP的分離式輸出允許在GaN FET的柵極開啟和關(guān)斷路徑中串聯(lián)電阻。這些柵極電阻可以抑制由寄生電容和電感引起的器件柵極振鈴，同時(shí)也可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。通過計(jì)算可以得到高側(cè)和低側(cè)的峰值源電流和灌電流：

• 高側(cè)峰值源電流[IOHH ≈ 1.3A]
• 高側(cè)峰值灌電流[IOLH = 2.0A]
• 低側(cè)峰值源電流和灌電流與高側(cè)相同。

死區(qū)時(shí)間電阻計(jì)算

在PWM模式下，需要設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的死區(qū)時(shí)間：LO關(guān)斷到HO導(dǎo)通之間的死區(qū)時(shí)間TDLH和HO關(guān)斷到LO導(dǎo)通之間的死區(qū)時(shí)間TDHL。對(duì)于該應(yīng)用，目標(biāo)死區(qū)時(shí)間約為25ns。根據(jù)公式計(jì)算得到RHL和RLH的值：

• (RHL = 1.077 × T_{DHL} + 1.812 = (1.077 × 25ns) + 1.812 = 28.74kΩ)
• (RLH = 1.064 × T_{DLH} - 0.630 = (1.064 × 25ns) - 0.630 = 25.97kΩ) 實(shí)際使用中選擇30kΩ的電阻用于RHL和RLH。

柵極驅(qū)動(dòng)器損耗計(jì)算

柵極驅(qū)動(dòng)器的功率損耗包括靜態(tài)功率損耗、泄漏電流功率損耗和GaN FET柵極充電和放電損耗等。通過相關(guān)公式計(jì)算得到該設(shè)計(jì)中的各種損耗值，最終總驅(qū)動(dòng)損耗為11mW，同時(shí)考慮到驅(qū)動(dòng)器自身的工作電流消耗，總功耗約為122mW。

應(yīng)用曲線分析

通過實(shí)際測試得到的100V、500kHz開關(guān)節(jié)點(diǎn)信號(hào)和500kHz柵極驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)曲線，可以直觀地觀察到TPS7H6003-SP在該應(yīng)用中的性能表現(xiàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

電源供應(yīng)與布局建議

電源供應(yīng)

TPS7H60x3-SP的推薦偏置電源電壓范圍為10V至14V，輸入電壓應(yīng)經(jīng)過良好的調(diào)節(jié)和適當(dāng)?shù)呐月?，以獲得最佳電氣性能。BOOT電壓應(yīng)在8V至14V之間，并且要盡量減少自舉充電路徑上的電壓降，以防止高側(cè)驅(qū)動(dòng)器在正常運(yùn)行期間意外進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)。建議在VIN和AGND引腳之間放置一個(gè)本地旁路電容，在BOOT和ASW引腳之間放置自舉電容，并且這些電容應(yīng)盡可能靠近器件。同時(shí)，推薦使用低ESR、低ESL的陶瓷表面貼裝電容（如X7R或更好的型號(hào)）。

布局設(shè)計(jì)

由于增強(qiáng)型GaN FET的小柵極電容和米勒電容使其能夠?qū)崿F(xiàn)快速開關(guān)速度，但同時(shí)也帶來了高dv/dt和di/dt以及低柵極閾值電壓和有限的柵極電壓裕量等問題，因此電路布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。以下是一些布局建議：

• 減小環(huán)路電感：將GaN FET盡可能靠近柵極驅(qū)動(dòng)器放置，以減小整體環(huán)路電感，并通過將為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(nèi)，減少噪聲耦合問題。
• 優(yōu)化自舉充電路徑：自舉充電路徑可能包含高峰值電流，因此應(yīng)盡量減小其環(huán)路面積。根據(jù)所選的充電方法，合理放置自舉電容和二極管。
• 合理放置旁路電容：所有旁路電容（如VIN到AGND、BP5L到AGND、BP5H到ASW、BOOT到ASW）應(yīng)盡可能靠近器件和相應(yīng)引腳放置。建議使用低ESR和ESL的電容，并盡量將它們放在與柵極驅(qū)動(dòng)器相同的印刷電路板一側(cè)。
• 分離電源和信號(hào)走線：將電源走線和信號(hào)走線分開，并盡量減少不同印刷電路板層上信號(hào)的重疊，以減少干擾。
• 減少寄生電感影響：高側(cè)FET和低側(cè)FET源極串聯(lián)的寄生電感可能會(huì)在開關(guān)期間對(duì)驅(qū)動(dòng)器施加過大的負(fù)電壓瞬變。因此，應(yīng)使用短而低電感的路徑連接PSW到高側(cè)FET源極，PGND到低側(cè)FET源極。
• 防止輸入電源總線振鈴：為了防止輸入電源總線上出現(xiàn)過度振鈴，需要在GaN FET附近放置低ESR電容進(jìn)行去耦。

總結(jié)

TI的TPS7H60x3-SP系列輻射加固GaN FET柵極驅(qū)動(dòng)器憑借其卓越的輻射性能、強(qiáng)大的電流驅(qū)動(dòng)能力、靈活的工作模式和快速的響應(yīng)時(shí)間，為太空應(yīng)用和高頻、高效電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)提供了理想的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理選擇和設(shè)計(jì)相關(guān)的外部元件，如自舉電容、二極管、柵極電阻和死區(qū)時(shí)間電阻等，并遵循正確的電源供應(yīng)和布局原則，可以充分發(fā)揮該系列驅(qū)動(dòng)器的性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)可靠、高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)于電子工程師來說，深入了解和掌握TPS7H60x3-SP的特性和應(yīng)用方法，將有助于在復(fù)雜的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中取得更好的成果。你在使用類似柵極驅(qū)動(dòng)器的過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。