探索LMG3626：700V GaN FET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)正逐漸嶄露頭角，為高效、緊湊的電源設(shè)計帶來了新的可能性。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的LMG3626，一款集成了700V、220mΩ GaN功率FET、柵極驅(qū)動器、電流感測仿真功能和保護特性的器件，它在開關(guān)電源應(yīng)用中展現(xiàn)出了強大的優(yōu)勢。

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一、LMG3626的特性亮點

1. 高性能GaN FET

LMG3626采用了700V額定的GaN FET，能夠支持離線電源開關(guān)應(yīng)用中遇到的高電壓。其低輸出電容電荷特性，減少了電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)所需的時間和能量，是創(chuàng)建小型、高效電源轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵特性。在25°C時，其典型的漏源導(dǎo)通電阻為220mΩ，即使在125°C的高溫環(huán)境下，也能保持相對較低的電阻值，確保了良好的導(dǎo)通性能。

2. 集成式柵極驅(qū)動器

內(nèi)部柵極驅(qū)動器能夠調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓，以實現(xiàn)最佳的GaN FET導(dǎo)通電阻。它還減少了總柵極電感和GaN FET共源電感，提高了開關(guān)性能，包括共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）。此外，GaN FET的導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速率可以單獨編程為四個離散設(shè)置之一，為設(shè)計人員在功率損耗、開關(guān)引起的振鈴和電磁干擾（EMI）方面提供了更大的靈活性。

3. 電流感測仿真功能

電流感測仿真功能在CS引腳輸出端提供了GaN FET漏極電流的縮放副本。通過將CS引腳連接到一個電阻，可以創(chuàng)建一個電流感測輸入信號，該信號被輸入到外部電源控制器中。這種設(shè)計取代了傳統(tǒng)的與GaN FET源極串聯(lián)的電流感測電阻，節(jié)省了大量的功率和空間。同時，由于沒有電流感測電阻與GaN FET源極串聯(lián)，GaN FET的散熱墊可以直接連接到PCB電源地，不僅提高了系統(tǒng)的熱性能，還提供了額外的器件布線靈活性。

4. 低靜態(tài)電流與寬輸入電壓范圍

AUX輸入電源具有較寬的電壓范圍，與電源控制器產(chǎn)生的相應(yīng)寬范圍電源軌兼容。低AUX靜態(tài)電流支持轉(zhuǎn)換器的突發(fā)模式操作，這對于滿足政府的輕載效率要求至關(guān)重要。通過EN引腳將器件置于待機模式，可以進(jìn)一步降低AUX靜態(tài)電流。

5. 全面的保護特性

LMG3626具備欠壓鎖定（UVLO）、逐周期電流限制和過溫保護等保護特性。過溫保護通過開漏FLT輸出進(jìn)行報告，確保了器件在異常情況下的安全運行。

二、引腳配置與功能

LMG3626采用38引腳的VQFN封裝，各引腳具有明確的功能：

• NC1和NC2：用于將QFN封裝固定到PCB上，內(nèi)部連接到相應(yīng)的引腳，但不與PCB上的其他金屬物理連接。
• D和S：分別為GaN FET的漏極和源極。
• EN：用于在活動模式和待機模式之間切換，待機模式可降低靜態(tài)電流，以支持轉(zhuǎn)換器的輕載效率目標(biāo)。
• IN：柵極驅(qū)動控制輸入。
• AGND：模擬地，內(nèi)部連接到S、PAD和NC2。
• CS：電流感測仿真輸出，輸出GaN FET電流的縮放副本。
• FLT：有源低故障輸出，在過溫保護時斷言。
• AUX：輔助電壓軌，為內(nèi)部電路提供電源。
• RDRV：驅(qū)動強度控制電阻，用于編程GaN FET的導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速率。
• PAD：散熱墊，內(nèi)部連接到S、AGND和NC2，可傳導(dǎo)全部S電流。

三、電氣與開關(guān)特性

1. 電氣特性

在不同的溫度和電壓條件下，LMG3626展現(xiàn)出了穩(wěn)定的電氣性能。例如，在25°C時，漏源導(dǎo)通電阻典型值為220mΩ；在125°C時，該值增加到390mΩ。此外，它還具有低漏電流、低輸出電容電荷等優(yōu)點，有助于提高電源轉(zhuǎn)換器的效率。

2. 開關(guān)特性

LMG3626的開關(guān)特性受導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速率設(shè)置的影響。不同的設(shè)置下，導(dǎo)通延遲時間、關(guān)斷延遲時間和導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速率等參數(shù)會有所不同。例如，在最快的導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速率設(shè)置下，導(dǎo)通延遲時間可低至23ns，導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速率可達(dá)150V/ns。

四、應(yīng)用案例：65W USB PD充電器

1. 設(shè)計要求

該應(yīng)用的輸入交流電壓范圍為90VAC至264VAC，輸入線頻率范圍為47Hz至63Hz，輸出直流電壓可設(shè)置為5V、9V、15V和20V。在20V輸出和滿載條件下，最小效率要求達(dá)到93%。

2. 詳細(xì)設(shè)計步驟

• 導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速率設(shè)計：在準(zhǔn)諧振反激轉(zhuǎn)換器中，導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速率的選擇需要權(quán)衡電源效率和EMI/瞬態(tài)振鈴。較慢的導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速率可以減少EMI和振鈴問題，但可能會增加開關(guān)損耗；較快的導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速率則相反。在實際設(shè)計中，需要根據(jù)準(zhǔn)諧振控制器的實現(xiàn)方式來選擇合適的導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速率設(shè)置。
• 電流感測設(shè)計：電流感測電阻的計算需要先進(jìn)行傳統(tǒng)電流感測電阻的設(shè)計計算，然后乘以電流感測仿真的逆增益。在使用LMG3626時，需要注意確保電流感測信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，避免受到噪聲的干擾。

五、設(shè)計建議

1. 布局指南

在PCB布局時，需要注意以下幾點：

• 焊點應(yīng)力緩解：遵循NC1、NC2和NC3錨定引腳的說明，使用非阻焊定義（NSMD）的焊盤，并確保連接到NSMD焊盤的電路板走線寬度不超過焊盤寬度的三分之二。
• 信號地連接：設(shè)計電源時應(yīng)使用單獨的信號地和電源地，并僅在一處連接。將LMG3626的AGND引腳連接到信號地，S引腳和PAD散熱墊連接到電源地。
• CS引腳信號：由于電流感測信號的阻抗比傳統(tǒng)電流感測信號高三個數(shù)量級，因此需要盡量減少電流感測信號與任何嘈雜走線的靠近。將電流感測電阻和任何濾波電容放置在走線的遠(yuǎn)端，靠近控制器的電流感測輸入引腳。

  2. 文檔支持

  TI提供了豐富的文檔資源，包括LMG362XX準(zhǔn)諧振功率級設(shè)計計算器和使用LMG3626EVM - 074 65W USB - C PD高密度準(zhǔn)諧振反激轉(zhuǎn)換器的用戶指南，幫助工程師進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試。

六、總結(jié)

LMG3626作為一款集成了高性能GaN FET、柵極驅(qū)動器、電流感測仿真功能和保護特性的器件，為開關(guān)電源設(shè)計帶來了諸多優(yōu)勢。其卓越的電氣和開關(guān)特性、全面的保護功能以及靈活的引腳配置，使其在AC/DC適配器、充電器、USB墻式電源插座等應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計過程中，工程師需要充分考慮其特性和要求，合理進(jìn)行布局和參數(shù)設(shè)置，以實現(xiàn)最佳的性能和可靠性。你在使用類似的GaN FET器件時，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。