輻射加固半橋氮化鎵FET柵極驅(qū)動(dòng)器：TPS7H60x5系列深度解析

一、引言

在電子工程領(lǐng)域，特別是涉及到空間衛(wèi)星電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等對(duì)可靠性和性能要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景中，合適的柵極驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要。德州儀器（TI）的TPS7H60x5系列輻射加固（RHA）氮化鎵（GaN）場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）柵極驅(qū)動(dòng)器，便是為滿(mǎn)足這些嚴(yán)苛應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能器件。本文將對(duì)TPS7H60x5系列進(jìn)行全面解析，探討其特點(diǎn)、應(yīng)用、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等內(nèi)容。

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二、產(chǎn)品概述

（一）產(chǎn)品系列組成

TPS7H60x5系列包含TPS7H6005（200V額定值）、TPS7H6015（60V額定值）和TPS7H6025（22V額定值）三款器件。它們均采用56引腳HTSSOP塑料封裝，并且有QMLP和空間增強(qiáng)塑料（SEP）兩種等級(jí)可供選擇。

（二）主要特點(diǎn)

1. 輻射性能卓越：
   • 具備高達(dá)100krad(Si)的總電離劑量（TID）輻射加固保證（RHA）。
   • 對(duì)線性能量轉(zhuǎn)移（LET）為75 MeV - cm2 / mg的單粒子瞬態(tài)（SET）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子?xùn)艠O擊穿（SEGR）免疫。
   • 對(duì)LET高達(dá)75 MeV - cm2 / mg的單粒子瞬態(tài)（SET）和單粒子功能中斷（SEFI）有良好的特性表現(xiàn)。
2. 電氣性能出色：
   • 具有1.3A的峰值源電流和2.5A的峰值灌電流。
   • 典型傳播延遲僅30ns（獨(dú)立輸入模式），典型延遲匹配為5.5ns。
   • 提供可調(diào)的死區(qū)時(shí)間能力。
3. 多種工作模式：
   • 單PWM輸入，死區(qū)時(shí)間可調(diào)。
   • 兩個(gè)獨(dú)立輸入，且在獨(dú)立輸入模式下可選擇輸入互鎖保護(hù)。
   • 采用分離式輸出，可獨(dú)立調(diào)節(jié)開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)間。
4. 其他特點(diǎn)：
   • 塑料封裝經(jīng)過(guò)ASTM E595標(biāo)準(zhǔn)的逸氣測(cè)試。
   • 工作溫度范圍覆蓋軍事溫度范圍（–55°C至125°C）。

三、產(chǎn)品應(yīng)用

TPS7H60x5系列的應(yīng)用非常廣泛，主要包括以下幾個(gè)方面：

1. 空間衛(wèi)星電源：在衛(wèi)星的各種電源系統(tǒng)中，如衛(wèi)星電力系統(tǒng)、通信有效載荷電源等，對(duì)器件的輻射耐受性和可靠性要求極高，TPS7H60x5系列能夠滿(mǎn)足這些需求，確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
2. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)：在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，高頻率、高效率和高電流的特性使得該系列驅(qū)動(dòng)器能夠更好地控制電機(jī)的運(yùn)行，提高電機(jī)的性能和效率。
3. 反作用輪：反作用輪是衛(wèi)星姿態(tài)控制的關(guān)鍵部件，TPS7H60x5系列的可靠性能和精確控制能力有助于反作用輪的精確運(yùn)行。
4. 通信有效載荷和光學(xué)成像有效載荷：為這些對(duì)信號(hào)質(zhì)量和穩(wěn)定性要求較高的載荷提供穩(wěn)定的供電和驅(qū)動(dòng)，確保通信和成像的質(zhì)量。

四、器件詳細(xì)比較

（一）絕對(duì)最大電壓和推薦工作電壓

從表格中可以看出，不同型號(hào)的器件具有不同的電壓額定值，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇合適的器件。

五、引腳配置和功能

TPS7H60x5采用56引腳DCA封裝，各引腳具有不同的功能，以下是一些關(guān)鍵引腳的介紹：

1. BOOT：高側(cè)線性穩(wěn)壓器的輸入電壓源，外部自舉電容連接在BOOT和ASW之間。
2. ASW：高側(cè)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)返回端，部分引腳內(nèi)部連接到PSW和高側(cè)散熱墊。
3. BST：用于自舉充電，是自舉二極管陽(yáng)極連接點(diǎn)。
4. VIN：柵極驅(qū)動(dòng)器輸入電壓源，輸入電壓范圍為10V至14V。
5. DHL和DLH：分別用于設(shè)置高側(cè)到低側(cè)和低側(cè)到高側(cè)的死區(qū)時(shí)間，在不同工作模式下還有不同的配置方式。
6. PGOOD：電源正常引腳，當(dāng)任何低側(cè)內(nèi)部線性穩(wěn)壓器或VIN進(jìn)入欠壓鎖定時(shí)，該引腳置低。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，正確理解和使用這些引腳功能對(duì)于確保器件的正常運(yùn)行至關(guān)重要。

六、規(guī)格參數(shù)

（一）絕對(duì)最大額定值

TPS7H60x5系列的絕對(duì)最大額定值規(guī)定了器件在不同條件下能夠承受的最大電壓和電流等參數(shù)，例如VIN到AGND的電壓范圍為–0.3V至16V等。在使用器件時(shí)，必須嚴(yán)格遵守這些參數(shù)，否則可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。

（二）ESD額定值

靜電放電（ESD）是電子器件在生產(chǎn)和使用過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。該系列器件的人體模型（HBM）ESD額定值為±2000V，充電器件模型（CDM）ESD額定值為±500V。在實(shí)際操作中，需要采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施，以保護(hù)器件不受ESD損壞。

（三）推薦工作條件

推薦工作條件包括輸入電壓、溫度范圍等參數(shù)。例如，VIN到AGND的推薦電壓范圍為10V至14V，工作結(jié)溫范圍為–55°C至125°C。在這些條件下工作，器件能夠發(fā)揮最佳性能并保證可靠性。

（四）電氣特性

電氣特性涵蓋了器件的各種性能參數(shù)，如靜態(tài)電流、動(dòng)態(tài)電流、輸出電壓精度等。例如，低側(cè)靜態(tài)電流在不同工作模式下有所不同，在PWM模式下，當(dāng)VIN = 12V，BOOT = 10V時(shí)，典型值為5mA至6.8mA。了解這些電氣特性有助于工程師在設(shè)計(jì)中進(jìn)行準(zhǔn)確的功耗計(jì)算和性能評(píng)估。

（五）開(kāi)關(guān)特性

開(kāi)關(guān)特性描述了器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的性能，如傳播延遲、上升時(shí)間、下降時(shí)間等。例如，LO關(guān)斷傳播延遲在PWM模式下典型值為30ns，在獨(dú)立輸入模式下典型值為27ns至38ns。這些參數(shù)對(duì)于高速開(kāi)關(guān)應(yīng)用非常重要，能夠影響系統(tǒng)的整體性能。

（六）質(zhì)量一致性檢驗(yàn)

該系列器件遵循MIL - STD - 883標(biāo)準(zhǔn)的方法5005進(jìn)行質(zhì)量一致性檢驗(yàn)，包括不同溫度下的靜態(tài)測(cè)試、動(dòng)態(tài)測(cè)試和功能測(cè)試等。通過(guò)這些檢驗(yàn)，確保器件的質(zhì)量和可靠性符合要求。

（七）典型特性

典型特性曲線展示了器件在不同條件下的性能變化趨勢(shì)，如輸出電壓隨輸入電壓的變化、傳播延遲隨溫度的變化等。這些曲線可以幫助工程師更好地理解器件的性能，在設(shè)計(jì)中進(jìn)行合理的參數(shù)選擇和優(yōu)化。

七、詳細(xì)工作原理

（一）輸入電壓

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，TPS7H60x5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)也用于為外部高側(cè)自舉電容充電。為了獲得最佳性能，需要在VIN和AGND之間添加旁路電容，并且該電容應(yīng)盡可能靠近柵極驅(qū)動(dòng)器放置，其值通常至少是自舉電容值的十倍。

（二）線性穩(wěn)壓器操作

該器件包含三個(gè)內(nèi)部線性穩(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(chēng)輸出電壓，用于為低側(cè)邏輯電路和柵極驅(qū)動(dòng)提供電源。BP5H位于高側(cè)，以BOOT引腳的電壓為輸入，為高側(cè)邏輯電路和外部FET提供5V的柵極電壓。每個(gè)穩(wěn)壓器都需要一個(gè)最小為1μF的電容連接到相應(yīng)的地引腳。

（三）自舉操作

1. 自舉充電：TPS7H60x5提供了多種自舉電容充電方式：
   • 通過(guò)內(nèi)部自舉開(kāi)關(guān)充電：內(nèi)部自舉開(kāi)關(guān)連接在VIN和BST引腳之間，外部自舉二極管連接在BST和BOOT之間。該開(kāi)關(guān)僅在低側(cè)驅(qū)動(dòng)器輸出開(kāi)啟時(shí)導(dǎo)通，可減少自舉電容上的最大電壓。
   • 直接從VIN充電：這是一種更傳統(tǒng)的方法，適用于低側(cè)FET開(kāi)啟不即時(shí)的情況。在這種情況下，可以通過(guò)在自舉電容串聯(lián)電阻、并聯(lián)齊納二極管或兩者結(jié)合的方式來(lái)防止自舉電容過(guò)充電。
   • 雙充電方式：結(jié)合了內(nèi)部自舉開(kāi)關(guān)和直接從VIN充電的方法，既能避免啟動(dòng)時(shí)的自舉充電問(wèn)題，又能利用內(nèi)部開(kāi)關(guān)在正常運(yùn)行時(shí)降低自舉電壓。但這種方式會(huì)增加元件數(shù)量。
2. 自舉電容：外部自舉電容連接在BOOT和ASW之間，其電壓作為高側(cè)線性穩(wěn)壓器BP5H的輸入。一般來(lái)說(shuō)，自舉電容的值應(yīng)至少是高側(cè)GaN FET柵極電容的10倍。更精確的計(jì)算可以根據(jù)總柵極電荷、靜態(tài)電流、最大占空比、開(kāi)關(guān)頻率和允許的最大電壓降等參數(shù)進(jìn)行。
3. 自舉二極管：自舉二極管需要能夠承受施加到半橋轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的輸入電壓，并且能夠處理啟動(dòng)期間的峰值瞬態(tài)電流。建議使用快速恢復(fù)二極管，并確保其正向電壓降不會(huì)觸發(fā)BP5H穩(wěn)壓器的欠壓鎖定。
4. 自舉電阻：自舉電阻用于限制柵極驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)的峰值電流和控制BOOT引腳的壓擺率。建議使用至少2Ω的電阻，但該電阻與自舉電容會(huì)引入時(shí)間常數(shù)，需要檢查充電和刷新自舉電容電荷所需的時(shí)間是否符合要求。

（四）高側(cè)驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)

為了使高側(cè)驅(qū)動(dòng)器正常啟動(dòng)，BOOT到SW的電壓必須大于BOOT UVLO上升閾值（典型值為6.4V）。在半橋轉(zhuǎn)換器配置中，如果輸出存在預(yù)偏置電壓，自舉電容可能無(wú)法在輸出電壓充分放電之前從VIN充電。在VIN發(fā)生欠壓恢復(fù)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)在轉(zhuǎn)換器輸出端添加放電電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

（五）輸入和輸出

輸入引腳PWM_LI和EN_HI具有約200kΩ的內(nèi)部下拉電阻，其功能取決于柵極驅(qū)動(dòng)器的工作模式。在PWM模式下，PWM_LI作為單PWM控制信號(hào)的輸入引腳，EN_HI作為驅(qū)動(dòng)器的使能引腳；在獨(dú)立輸入模式下，PWM_LI作為低側(cè)輸入，EN_HI作為高側(cè)輸入。輸入信號(hào)的電壓應(yīng)不超過(guò)14V，并且建議使用壓擺率大于2V/μs的輸入信號(hào)。

輸出采用分離式設(shè)計(jì)，高側(cè)有HOH和HOL（源和灌輸出），低側(cè)有LOH和LOL（源和灌輸出）。這些輸出能夠分別提供1.3A的源電流和2.5A的灌電流，通過(guò)在輸出路徑中添加額外的阻抗，可以獨(dú)立調(diào)節(jié)GaN器件的開(kāi)啟和關(guān)斷速度。

（六）死區(qū)時(shí)間

在PWM模式下，需要在DLH和DHL引腳連接到AGND的電阻來(lái)編程死區(qū)時(shí)間。DHL電阻設(shè)置高側(cè)輸出（HO）關(guān)斷到低側(cè)輸出（LO）開(kāi)啟之間的死區(qū)時(shí)間，DLH電阻設(shè)置低側(cè)輸出（LO）關(guān)斷到高側(cè)輸出（HO）開(kāi)啟之間的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的選擇需要謹(jǐn)慎，以防止高側(cè)和低側(cè)開(kāi)關(guān)之間的交叉導(dǎo)通，同時(shí)最小化該期間的損耗。

（七）輸入互鎖保護(hù)

在獨(dú)立輸入模式下，TPS7H60x5可以配置輸入互鎖保護(hù)。激活該保護(hù)時(shí)，DHL連接到5V，DLH連接一個(gè)阻值在100kΩ至220kΩ之間的電阻到AGND。該保護(hù)旨在防止半橋配置中GaN FET的直通現(xiàn)象，提高功率級(jí)的魯棒性和可靠性。當(dāng)兩個(gè)輸入都為高電平時(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)榈碗娖健?/p>

（八）欠壓鎖定和電源正常（PGOOD）

該器件在BP5L、BP7L、BP5H、BOOT和VIN上都有欠壓鎖定（UVLO）功能。當(dāng)任何低側(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觸發(fā)時(shí)，只有HO會(huì)被拉低。

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(guò)各自的上升UVLO閾值時(shí)，該引腳置高；當(dāng)其中任何一個(gè)低于相應(yīng)的下降UVLO閾值時(shí)，該引腳置低。建議在PGOOD和BP5L之間連接一個(gè)10kΩ的上拉電阻。

（九）負(fù)SW電壓瞬態(tài)

由于增強(qiáng)型GaN FET的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在反向?qū)ㄆ陂g，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳（ASW和PSW）會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓瞬態(tài)。這可能導(dǎo)致自舉電壓過(guò)高，因此需要確保BOOT到SW的電壓差不超過(guò)絕對(duì)最大值。一般情況下，BOOT會(huì)瞬間跟隨SW，但可以在BOOT和SW之間使用外部齊納二極管來(lái)鉗位自舉電壓。

（十）電平轉(zhuǎn)換器

TX和RX電平轉(zhuǎn)換器用于在低側(cè)輸入和以高電壓開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（ASW）為參考的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器級(jí)之間進(jìn)行接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)HO輸出的控制。高側(cè)和低側(cè)信號(hào)路徑中的電平轉(zhuǎn)換器具有相同的特性，能夠提供出色的延遲匹配（典型值為5.5ns）。

八、應(yīng)用和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）應(yīng)用信息

TPS7H60x5系列主要用于優(yōu)化空間環(huán)境中GaN FET的控制，適用于高頻、高效率的空間級(jí)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。它具有集成的5V線性穩(wěn)壓器，為高低側(cè)的柵極電壓提供穩(wěn)定的電源，確保GaN FET的可靠性。該系列驅(qū)動(dòng)器適用于多種常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌绨霕?、推挽、有源鉗位正激和雙開(kāi)關(guān)正激等。

該器件能夠與傳統(tǒng)的輻射硬化PWM控制器和新型設(shè)備（如TPS7H5001 - SP或TPS7H5005 - SEP）配合使用，其輸入引腳能夠接受高達(dá)14V的信號(hào)，并且提供PWM模式和獨(dú)立輸入模式兩種工作模式，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。

（二）典型應(yīng)用示例

以TPS7H6005在高壓同步降壓轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)過(guò)程：

1. 設(shè)計(jì)要求：
   • 電源級(jí)輸入電壓：100V
   • 輸出電壓：28V
   • 輸出電流：10A
   • 開(kāi)關(guān)頻率：500kHz
   • 柵極驅(qū)動(dòng)器輸入電壓：12V
   • 占空比：標(biāo)稱(chēng)28%，最大約35%
   • 電感：15μH
   • GaN FET：EPC2307（僅用于評(píng)估）
   • 工作模式：PWM
2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程：
   • 自舉和旁路電容：
     • 自舉電容的選擇需要確保其在正常運(yùn)行期間能夠維持在BOOT UVLO下降閾值以上。通過(guò)計(jì)算允許的最大電壓降?V_BOOT，確定自舉電容的最小值，考慮到溫度、電壓和負(fù)載瞬變的影響，選擇100nF的X7R電容。
     • VIN電容應(yīng)至少是自舉電容值的10倍，選擇2.2μF和1μF的陶瓷X7R電容。同時(shí)，BP5H、BP5L和BP7L輸出端應(yīng)使用1μF的X7R陶瓷電容，并盡可能靠近相應(yīng)引腳放置。
   • 自舉二極管：自舉二極管需要能夠承受電源級(jí)輸入電壓，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)于評(píng)估設(shè)置，選擇了150V、1A額定的肖特基二極管，但實(shí)際應(yīng)用中需要選擇滿(mǎn)足系統(tǒng)性能和輻射要求的二極管。
   • BP5x過(guò)沖和欠沖：由于PCB布局和GaN FET的寄生電感和電容，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致柵極驅(qū)動(dòng)波形出現(xiàn)振蕩，從而超過(guò)所選GaN FET的絕對(duì)最大VGS額定值。為了減輕振蕩幅度，需要將驅(qū)動(dòng)器靠近GaN FET放置，并使用柵極電阻。
   • 柵極電阻：TPS7H6005的分離式輸出允許在GaN FET的開(kāi)啟和關(guān)斷路徑中串聯(lián)電阻，用于抑制寄生電感和電容引起的振蕩，同時(shí)也可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)于該設(shè)計(jì)，選擇2Ω的電阻，并根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算高側(cè)和低側(cè)的峰值源電流和灌電流。
   • 死區(qū)時(shí)間電阻：在PWM模式下，需要選擇合適的死區(qū)時(shí)間電阻來(lái)設(shè)置高側(cè)和低側(cè)之間的死區(qū)時(shí)間，以避免交叉導(dǎo)通和最小化損耗。對(duì)于該應(yīng)用，目標(biāo)死區(qū)時(shí)間約為25ns，選擇30kΩ的電阻。
   • **柵極驅(qū)動(dòng)器損耗