探索LMG3622：GaN FET在電源設(shè)計中的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，尋找高性能、高集成度的電源管理解決方案是一項持續(xù)的挑戰(zhàn)。今天，我們要深入探討的是德州儀器（TI）的LMG3622，一款具有700V耐壓、106mΩ導(dǎo)通電阻的氮化鎵（GaN）場效應(yīng)晶體管（FET），它集成了驅(qū)動器和電流感應(yīng)仿真功能，為開關(guān)電源應(yīng)用帶來了新的可能性。

文件下載：lmg3622.pdf

一、LMG3622的關(guān)鍵特性

1. 高耐壓與低導(dǎo)通電阻

LMG3622采用700V GaN FET，能夠承受高電壓，適用于離線電源開關(guān)應(yīng)用。其低導(dǎo)通電阻（典型值106mΩ）有效降低了傳導(dǎo)損耗，提高了電源效率。而且，隨著溫度升高，導(dǎo)通電阻的變化相對較小，確保了在不同工作條件下的穩(wěn)定性。從數(shù)據(jù)手冊中的“Normalized On-Resistance vs Junction Temperature”圖可以看到，在-40°C至140°C的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)通電阻的變化幅度是可預(yù)測的，這為工程師在設(shè)計熱管理方案時提供了便利。

2. 集成驅(qū)動器和電流感應(yīng)仿真

集成的門極驅(qū)動器具有低傳播延遲和可調(diào)的開通壓擺率控制功能。通過調(diào)節(jié)RDRV引腳與AGND之間的電阻，可以將GaN FET的開通壓擺率編程為四個離散設(shè)置之一。這一特性為工程師在設(shè)計中提供了靈活性，可以根據(jù)具體應(yīng)用需求平衡功率損耗、開關(guān)引起的振鈴和電磁干擾（EMI）。例如，在對EMI要求較高的應(yīng)用中，可以選擇較慢的開通壓擺率；而在追求高開關(guān)速度的場景下，則可以選擇較快的設(shè)置。 電流感應(yīng)仿真功能則通過在CS引腳輸出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。這不僅節(jié)省了功率和空間，還允許將低側(cè)散熱焊盤直接連接到PCB電源地，提高了系統(tǒng)的熱性能和布線靈活性。

3. 全面的保護(hù)功能

LMG3622具備多種保護(hù)功能，包括欠壓鎖定（UVLO）、逐周期過流保護(hù)和過溫保護(hù)。欠壓鎖定功能確保當(dāng)AUX電壓低于設(shè)定閾值時，GaN FET不會開啟，避免了在低電壓下的異常工作。逐周期過流保護(hù)能夠在每個IN邏輯高電平周期內(nèi)監(jiān)測GaN FET的漏極電流，一旦超過過流閾值，立即關(guān)閉GaN FET，減少了系統(tǒng)故障的風(fēng)險。過溫保護(hù)則在芯片溫度過高時，通過FLT引腳報告故障并關(guān)閉GaN FET，防止芯片因過熱而損壞。

4. 低靜態(tài)電流

AUX引腳的靜態(tài)電流非常低，正常工作時為240μA，待機模式下可降至50μA。這種低靜態(tài)電流特性使得LMG3622非常適合需要滿足政府輕載效率要求的應(yīng)用，如移動充電器和輔助電源等。

二、LMG3622的引腳配置與功能

LMG3622采用8mm × 5.3mm的QFN封裝，具有38個引腳。每個引腳都有其特定的功能，以下是幾個關(guān)鍵引腳的介紹：

• EN引腳：用于在活躍模式和待機模式之間切換。當(dāng)EN引腳為邏輯高電平時，設(shè)備處于活躍模式，此時功率FET由IN引腳控制；當(dāng)EN引腳為邏輯低電平時，設(shè)備進(jìn)入待機模式，IN引腳被忽略，GaN FET關(guān)閉，AUX靜態(tài)電流降低。
• IN引腳：用于控制GaN FET的開啟和關(guān)閉。它具有高輸入阻抗、低輸入閾值電壓和最大輸入電壓等于AUX電壓的特點，能夠支持低電壓和高電壓輸入信號，并且可以由低功率輸出驅(qū)動。
• CS引腳：電流感應(yīng)仿真輸出引腳。通過在該引腳連接一個電阻到AGND，可以創(chuàng)建一個電流感應(yīng)電壓信號，作為外部電源控制器的輸入。
• AUX引腳：內(nèi)部電路的輸入電源引腳。需要在AUX和AGND之間連接一個本地旁路電容，以提供穩(wěn)定的電源。

三、應(yīng)用場景與設(shè)計要點

1. 應(yīng)用場景

LMG3622適用于多種開關(guān)電源應(yīng)用，如AC/DC適配器和充電器、移動壁式充電器設(shè)計、USB壁式電源插座、輔助電源、電視用開關(guān)電源（SMPS）和LED電源等。其集成的特性和高性能使得它能夠簡化設(shè)計并減少元件數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性和效率。

2. 設(shè)計要點

開通壓擺率設(shè)計

在設(shè)計過程中，開通壓擺率的選擇是一個重要的考慮因素。較慢的開通壓擺率可以減少EMI和振鈴問題，但可能會增加開關(guān)損耗；而較快的開通壓擺率則相反。在準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，由于開關(guān)在零變壓器電流時進(jìn)行谷值開關(guān)，理論上沒有開關(guān)交叉損耗，只有開關(guān)節(jié)點電容損耗。因此，開通壓擺率的選擇需要綜合考慮準(zhǔn)諧振控制器對開關(guān)開通延遲的補償能力。如果控制器能夠補償開關(guān)開通延遲，那么可以選擇最慢的開通壓擺率設(shè)置；否則，需要在開關(guān)噪聲問題和開關(guān)損耗之間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

電流感應(yīng)設(shè)計

電流感應(yīng)電阻(R{CS1})的計算需要先進(jìn)行傳統(tǒng)電流感應(yīng)電阻的設(shè)計計算(R{CS(trad)})，然后乘以電流感應(yīng)仿真的逆增益。由于(R{CS1})的值通常比傳統(tǒng)電流感應(yīng)電阻大得多，因此在設(shè)計時需要注意其對電路的影響。如果使用了(R{CS2})，需要確保其設(shè)計計算考慮到(R_{CS1})的顯著值。

電源推薦

LMG3622由連接到AUX引腳的單個輸入電源供電，其推薦的AUX電壓范圍為10V至26V，與常見的電源控制器供電引腳的開啟和UVLO電壓限制重疊。因此，可以使用與電源控制器相同的電源進(jìn)行供電，方便了設(shè)計。同時，建議在AUX引腳上連接至少0.03μF的陶瓷電容，以提供穩(wěn)定的電源。

布局設(shè)計

在PCB布局方面，需要注意以下幾點：

• 焊點應(yīng)力釋放：遵循NC1、NC2和NC3錨定引腳的焊接說明，使用非阻焊定義（NSMD）的焊盤，并確保連接到NSMD焊盤的板跡線寬度小于焊盤寬度的三分之二，直到跡線被阻焊層覆蓋。
• 信號地連接：設(shè)計電源時應(yīng)使用獨立的信號地和電源地，并僅在一處連接。將LMG3622的AGND引腳連接到信號地，S引腳和PAD散熱焊盤連接到電源地，以實現(xiàn)信號地和電源地的單點連接。
• CS引腳信號：由于電流感應(yīng)信號的阻抗比傳統(tǒng)電流感應(yīng)信號高三個數(shù)量級，因此需要盡量避免將其路由到靠近任何嘈雜的跡線，并將電流感應(yīng)電阻和任何濾波電容放置在跡線的遠(yuǎn)端，靠近控制器的電流感應(yīng)輸入引腳。

四、總結(jié)

LMG3622憑借其高耐壓、低導(dǎo)通電阻、集成的驅(qū)動器和電流感應(yīng)仿真功能以及全面的保護(hù)特性，成為開關(guān)電源應(yīng)用中的理想選擇。電子工程師在使用LMG3622進(jìn)行設(shè)計時，需要充分考慮其特性和設(shè)計要點，特別是開通壓擺率的選擇、電流感應(yīng)電阻的計算、電源的選擇和PCB布局等方面，以實現(xiàn)最佳的性能和可靠性。希望本文能夠為工程師們在使用LMG3622進(jìn)行設(shè)計時提供有價值的參考。你在實際應(yīng)用中是否使用過LMG3622呢？遇到過哪些問題或者有什么獨特的設(shè)計經(jīng)驗，歡迎在評論區(qū)分享！