深入剖析LMG2656：650V 230mΩ GaN半橋的卓越性能與應(yīng)用

在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，氮化鎵（GaN）技術(shù)憑借其卓越的性能正逐漸嶄露頭角。本文將詳細(xì)介紹德州儀器（TI）的LMG2656，一款集成了驅(qū)動(dòng)器和電流感應(yīng)仿真功能的650V 230mΩ GaN半橋，探討其特性、應(yīng)用場(chǎng)景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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特性亮點(diǎn)

強(qiáng)大的電氣性能

LMG2656集成了650V的GaN功率FET半橋，低側(cè)和高側(cè)的GaN FET導(dǎo)通電阻均為230mΩ，能夠有效降低導(dǎo)通損耗。其內(nèi)部的柵極驅(qū)動(dòng)器具有低于100ns的低傳播延遲，能夠快速響應(yīng)控制信號(hào)，提高開(kāi)關(guān)速度?？?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程的開(kāi)通壓擺率控制功能，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求調(diào)整開(kāi)關(guān)速度，從而優(yōu)化電磁干擾（EMI）和振鈴現(xiàn)象。

高精度的電流感應(yīng)仿真

集成的電流感應(yīng)仿真功能具有高帶寬和高精度的特點(diǎn)，通過(guò)輸出低側(cè)GaN FET漏極電流的縮放副本，取代了傳統(tǒng)的電流感應(yīng)電阻，降低了功耗，并允許將低側(cè)散熱焊盤(pán)直接連接到PCB電源地，提高了系統(tǒng)的熱性能。

豐富的保護(hù)功能

該芯片具備低側(cè)/高側(cè)逐周期過(guò)流保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)功能，能夠在異常情況下及時(shí)保護(hù)芯片免受損壞。同時(shí)，低側(cè)/高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)互鎖功能可以防止低側(cè)和高側(cè)GaN FET同時(shí)導(dǎo)通，避免短路故障。

多種控制方式與快速啟動(dòng)

高側(cè)GaN FET可以通過(guò)低側(cè)參考的INH引腳或高側(cè)參考的GDH引腳進(jìn)行控制，增強(qiáng)了與不同控制器的兼容性。智能開(kāi)關(guān)的自舉二極管功能無(wú)二極管正向壓降，避免了高側(cè)電源過(guò)充電，且反向恢復(fù)電荷為零。高側(cè)啟動(dòng)時(shí)間小于8μs，能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)需求。

低靜態(tài)電流與小封裝

AUX引腳在空閑和待機(jī)模式下的靜態(tài)電流分別為250μA和50μA，BST引腳空閑靜態(tài)電流為70μA，低靜態(tài)電流有助于提高系統(tǒng)在輕載時(shí)的效率。采用8mm × 6mm QFN封裝，帶有雙散熱焊盤(pán)，減小了PCB空間，提高了功率密度。

優(yōu)缺點(diǎn)分析

優(yōu)點(diǎn)

• 集成度高：將半橋功率FET、柵極驅(qū)動(dòng)器、自舉FET和高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)6mm×8mm的QFN封裝中，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減少了元件數(shù)量和PCB空間。
• 性能優(yōu)越：低導(dǎo)通電阻、低傳播延遲和可編程的開(kāi)通壓擺率控制，提高了開(kāi)關(guān)效率和EMI性能。高帶寬和高精度的電流感應(yīng)仿真功能，降低了功耗，提高了熱性能。
• 保護(hù)功能完善：具備過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、欠壓鎖定和柵極驅(qū)動(dòng)互鎖等多種保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
• 兼容性強(qiáng)：高側(cè)GaN FET可以通過(guò)低側(cè)參考的INH引腳或高側(cè)參考的GDH引腳進(jìn)行控制，適用于不同類(lèi)型的控制器。
• 低靜態(tài)電流：AUX和BST引腳的低靜態(tài)電流，支持轉(zhuǎn)換器的突發(fā)模式操作，滿足政府輕載效率要求。

缺點(diǎn)

• 成本較高：GaN技術(shù)相對(duì)較新，制造成本較高，導(dǎo)致LMG2656的價(jià)格可能比傳統(tǒng)的硅基功率器件貴。
• 設(shè)計(jì)難度較大：由于GaN器件的高速開(kāi)關(guān)特性，對(duì)PCB布局和布線要求較高，設(shè)計(jì)不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致EMI問(wèn)題和信號(hào)完整性問(wèn)題。
• 散熱要求高：雖然LMG2656采用了雙散熱焊盤(pán)設(shè)計(jì)，但由于其高功率密度，散熱仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要合理的散熱設(shè)計(jì)。

應(yīng)用場(chǎng)景

AC/DC適配器和充電器

在AC/DC適配器和充電器中，LMG2656的高電壓額定值和低導(dǎo)通電阻能夠有效提高轉(zhuǎn)換效率，減少發(fā)熱。其快速開(kāi)關(guān)速度和可編程的開(kāi)通壓擺率控制功能，可以降低EMI，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，低靜態(tài)電流和快速啟動(dòng)時(shí)間支持充電器的輕載和突發(fā)模式操作，提高了系統(tǒng)的整體效率。

AC/DC輔助電源

在AC/DC輔助電源中，LMG2656可以提供穩(wěn)定的電源輸出，其集成的驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換器和智能開(kāi)關(guān)的自舉二極管功能，確保了高側(cè)GaN FET的可靠控制。

移動(dòng)壁式充電器設(shè)計(jì)

對(duì)于移動(dòng)壁式充電器，LMG2656的小封裝尺寸和高功率密度非常適合，能夠滿足充電器小型化的需求。其高精度的電流感應(yīng)仿真功能可以實(shí)現(xiàn)精確的充電控制，保護(hù)電池安全。

USB壁式電源插座

在USB壁式電源插座中，LMG2656可以提供高效的電源轉(zhuǎn)換，支持多個(gè)USB端口的同時(shí)供電。其低EMI特性可以減少對(duì)其他設(shè)備的干擾，提高電源的質(zhì)量。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

引腳配置與功能

LMG2656共有19個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有特定的功能。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)引腳的功能進(jìn)行正確的連接。例如，INL和INH引腳用于控制低側(cè)和高側(cè)GaN FET的開(kāi)關(guān)，EN引腳用于切換設(shè)備的工作模式。同時(shí)，要注意引腳的電壓和電流限制，避免超出芯片的額定值。

電源供應(yīng)建議

LMG2656通過(guò)AUX引腳連接單個(gè)輸入電源，BST引腳由AUX引腳內(nèi)部供電。建議AUX外部電容采用陶瓷電容，且容量至少是BST - SW外部電容的三倍。AUX和BST引腳的輸入電壓范圍應(yīng)在推薦的工作條件內(nèi)，以確保芯片的正常工作。

布局設(shè)計(jì)

焊點(diǎn)應(yīng)力緩解

為了緩解大尺寸QFN封裝的焊點(diǎn)應(yīng)力，需要遵循NC錨定引腳的使用說(shuō)明，所有電路板焊盤(pán)應(yīng)采用非阻焊定義（NSMD）方式，連接到NSMD焊盤(pán)的電路板走線寬度應(yīng)小于焊盤(pán)寬度的2/3。

信號(hào)地連接

設(shè)計(jì)電源時(shí)，應(yīng)將信號(hào)地和電源地分開(kāi)，僅在一處連接。將LMG2656的AGND引腳連接到信號(hào)地，SL引腳和低側(cè)散熱焊盤(pán)連接到電源地，避免信號(hào)和電源地在電路板其他位置連接。

電流感應(yīng)信號(hào)處理

由于電流感應(yīng)信號(hào)的阻抗比傳統(tǒng)信號(hào)高三個(gè)數(shù)量級(jí)，容易受到噪聲干擾。因此，應(yīng)盡量避免將電流感應(yīng)信號(hào)靠近嘈雜的走線，將電流感應(yīng)電阻和濾波電容放置在靠近控制器電流感應(yīng)輸入引腳的位置。

總結(jié)

LMG2656作為一款集成了驅(qū)動(dòng)器和電流感應(yīng)仿真功能的650V 230mΩ GaN半橋，具有眾多卓越的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分了解其引腳功能、電源供應(yīng)要求和布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以發(fā)揮其最佳性能。隨著GaN技術(shù)的不斷發(fā)展，LMG2656有望在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。你在使用LMG2656進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，是否遇到過(guò)一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。