深入了解LMG1020：高性能低側(cè)GaN和MOSFET驅(qū)動(dòng)器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)于高速應(yīng)用的需求不斷增長(zhǎng)，高性能的驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要。今天，我們來(lái)詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）的LMG1020驅(qū)動(dòng)器，看看它在高速應(yīng)用場(chǎng)景中能發(fā)揮怎樣的作用。

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一、產(chǎn)品概述

LMG1020是一款專為氮化鎵（GaN）場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）和邏輯電平MOSFET設(shè)計(jì)的單通道、低側(cè)驅(qū)動(dòng)器，適用于高速應(yīng)用，如激光雷達(dá)（LiDAR）、飛行時(shí)間（ToF）激光驅(qū)動(dòng)器、面部識(shí)別、E類無(wú)線充電器、甚高頻（VHF）諧振功率轉(zhuǎn)換器、基于GaN的同步整流器以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。

二、關(guān)鍵特性

超高速性能

• 極短脈沖寬度：最小輸入脈沖寬度可達(dá)1ns，能夠滿足高速脈沖應(yīng)用的需求。
• 高頻操作：支持高達(dá)60MHz的工作頻率，適用于高頻開關(guān)應(yīng)用。
• 快速傳播延遲：典型傳播延遲為2.5ns，最大為4.5ns，確保信號(hào)能夠快速準(zhǔn)確地傳輸。
• 快速上升和下降時(shí)間：典型上升和下降時(shí)間為400ps，有助于實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)轉(zhuǎn)換。

高驅(qū)動(dòng)能力

• 強(qiáng)大的峰值電流：具有7A的峰值源電流和5A的峰值灌電流，能夠提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力來(lái)快速切換功率FET。

電源與保護(hù)

• 低電源電壓：采用5V電源供電，降低功耗。
• 欠壓鎖定（UVLO）和過(guò)溫保護(hù)（OTP）：在過(guò)載或故障條件下，UVLO可確保設(shè)備在電源電壓過(guò)低時(shí)不會(huì)誤操作，OTP則可在芯片溫度過(guò)高時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，保護(hù)設(shè)備安全。

緊湊封裝

• WCSP封裝：采用0.8mm × 1.2mm的晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（WCSP），可減少柵極回路電感，提高高頻應(yīng)用中的功率密度。

三、規(guī)格參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

• 電源電壓（VDD）：最大值為5.75V。
• 輸入引腳電壓（VIN）：范圍為 -0.3V至VDD + 0.3V。
• 輸出引腳電壓（VOUT）：范圍為 -0.3V至5.75V。
• 存儲(chǔ)溫度（TSTG）：-55°C至150°C。
• 工作溫度（TJ）：-40°C至150°C。

ESD額定值

• 人體模型（HBM）：±2000V。
• 帶電設(shè)備模型（CDM）：±500V。

推薦工作條件

• 電源電壓（VDD）：4.75V至5.4V。
• 輸入電壓（VINx）：0V至VDD。
• 工作溫度（TJ）：-40°C至125°C。

四、功能模塊解析

輸入級(jí)

輸入級(jí)采用了施密特觸發(fā)器，可降低輸入噪聲靈敏度。IN+和IN–信號(hào)分別通過(guò)下拉和上拉電阻連接，防止意外導(dǎo)通。兩者信號(hào)經(jīng)過(guò)與門處理，輸出信號(hào)跟隨IN+和IN–的差值。需要注意的是，IN+和IN–為單端輸入，不能作為差分輸入對(duì)使用。

輸出級(jí)

LMG1020提供7A源電流和5A灌電流的不對(duì)稱驅(qū)動(dòng)能力，采用分離輸出配置。OUTH和OUTL輸出允許用戶通過(guò)連接獨(dú)立的電阻來(lái)分別調(diào)整導(dǎo)通和關(guān)斷驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，從而控制壓擺率、電磁干擾（EMI）以及柵極信號(hào)的振鈴。對(duì)于GaN FET，控制振鈴對(duì)于降低其應(yīng)力和驅(qū)動(dòng)器的負(fù)擔(dān)非常重要。在欠壓條件下，OUTL會(huì)被拉低，防止設(shè)備Ciss意外充電。

電源與欠壓鎖定

LMG1020的標(biāo)稱電源電壓為5V，最大為5.25V，絕對(duì)最大電源電壓為5.75V。設(shè)計(jì)時(shí)建議將電源變化限制在5%以內(nèi)（0.25V），并確保開關(guān)瞬態(tài)期間的過(guò)沖電壓不超過(guò)絕對(duì)最大電壓。內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）功能可在故障條件下保護(hù)驅(qū)動(dòng)器和電路，UVLO點(diǎn)設(shè)置在4.1V至4.2V之間，具有85mV的遲滯。在UVLO條件下，OUTL會(huì)被拉低至地。

過(guò)溫保護(hù)（OTP）

當(dāng)芯片溫度上升到約170°C時(shí)，OTP功能觸發(fā)，具有20°C的遲滯。當(dāng)結(jié)溫降至150°C以下時(shí)，設(shè)備可恢復(fù)正常工作。

五、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

應(yīng)用領(lǐng)域

LMG1020可用于多種高速開關(guān)應(yīng)用，如激光雷達(dá)、飛行時(shí)間測(cè)量、面部識(shí)別、無(wú)線充電、同步整流等。它還可作為高頻低電流激光二極管驅(qū)動(dòng)器或具有快速上升/下降時(shí)間的信號(hào)緩沖器。

典型應(yīng)用電路

在典型應(yīng)用中，LMG1020與單個(gè)低側(cè)、接地參考的GaN或邏輯電平Si FET配合使用。通過(guò)獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)電阻R1和R2，可分別控制導(dǎo)通和關(guān)斷驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。為避免電感振鈴導(dǎo)致的電壓過(guò)應(yīng)力，TI建議在OUTH和OUTL引腳至少使用2Ω的電阻，并且振鈴過(guò)沖不得超過(guò)最大絕對(duì)電源電壓。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

布局優(yōu)化

• 多層板設(shè)計(jì)：使用四層或更高層數(shù)的電路板，以減少布局的寄生電感。
• 緊湊布局：將LMG1020盡可能靠近GaN FET放置，使用大尺寸走線來(lái)減小電阻和寄生電感。
• 接地連接：將源極返回路徑設(shè)置在PCB的第二層，緊挨著元件層。通過(guò)過(guò)孔將FET源極和LMG1020的GND引腳與該平面連接，以最小化公共源極電感。
• 旁路電容：在LMG1020的VDD引腳和地之間立即連接旁路電容，電容值至少為0.1μF，最高可達(dá)1μF，溫度系數(shù)為X7R或更好。推薦使用低電感芯片電容（LICC）、叉指電容（IDC）、穿心電容和LGA等類型。

電源推薦

在FET導(dǎo)通期間，為支持從VDD汲取的高峰值電流，必須在IC附近的VDD和GND引腳之間連接一個(gè)低等效串聯(lián)電阻（ESR）/等效串聯(lián)電感（ESL）的陶瓷電容。建議使用三端電容以實(shí)現(xiàn)最低的ESL和最佳的瞬態(tài)性能，并可配合一個(gè)較大容量的電容來(lái)提供足夠的電荷。

處理地彈問(wèn)題

在高速開關(guān)應(yīng)用中，地彈問(wèn)題可能導(dǎo)致輸入邏輯錯(cuò)誤?？赏ㄟ^(guò)以下方法解決：

• 利用輸入滯回：LMG1020的輸入緩沖器內(nèi)置滯回功能，可幫助抵消地彈影響。但對(duì)于高電流壓擺率的應(yīng)用，此方法可能不夠有效。
• 使用反相輸入：將PWM信號(hào)連接到IN–輸入，同時(shí)將IN+連接到VDD，可增強(qiáng)PWM信號(hào)的穩(wěn)定性，但可能會(huì)增加輸入引腳的應(yīng)力。可在IN–輸入前放置一個(gè)100Ω的限流電阻。
• R - C濾波器：對(duì)于中等地彈情況，可在輸入串聯(lián)一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻，利用LMG1020的輸入電容形成R - C濾波器。在輸入添加一個(gè)小電容也可起到輔助作用。
• 共模扼流圈：對(duì)于極端地彈情況或?qū)ρ舆t要求嚴(yán)格的應(yīng)用，使用共模扼流圈可獲得最佳效果。

納秒脈沖生成

LMG1020可用于在電容負(fù)載上驅(qū)動(dòng)納秒級(jí)脈沖?？赏ㄟ^(guò)將數(shù)字信號(hào)及其延遲版本分別應(yīng)用于IN+和IN–來(lái)生成脈沖，脈沖寬度對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)之間的延遲。

六、總結(jié)

LMG1020以其超高速性能、高驅(qū)動(dòng)能力、完善的保護(hù)功能和緊湊的封裝，為高速開關(guān)應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要充分考慮布局優(yōu)化、電源穩(wěn)定性和地彈等問(wèn)題，以確保設(shè)備的性能和可靠性。你在使用類似驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。