TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅(qū)動(dòng)器的深度解析

在電子工程師的日常工作中，尋找高性能、高可靠性的器件是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅(qū)動(dòng)器，看看它在復(fù)雜環(huán)境下的卓越表現(xiàn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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器件概述

TPS7H60x5系列包括TPS7H6005（200V額定值）、TPS7H6015（60V額定值）和TPS7H6025（22V額定值）三款器件。它們采用56引腳的HTSSOP塑料封裝，有QMLP和Space Enhanced Plastic（SEP）兩種等級(jí)可供選擇。該系列驅(qū)動(dòng)器專為高頻、高效、大電流應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有30ns典型傳播延遲和5.5ns典型高低側(cè)延遲匹配，非常適合基于GaN的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。

核心特性

輻射性能卓越

在輻射環(huán)境下，器件的可靠性至關(guān)重要。TPS7H60x5系列具有高達(dá)100krad(Si)的總電離劑量（TID）輻射硬度保證（RHA），對單粒子瞬態(tài)（SET）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子?xùn)艠O破裂（SEGR）免疫，線性能量轉(zhuǎn)移（LET）高達(dá)75 MeV - cm2 / mg。此外，SET和單粒子功能中斷（SEFI）特性在LET = 75 MeV - cm2 / mg時(shí)也有出色表現(xiàn)。

強(qiáng)大的電流驅(qū)動(dòng)能力

驅(qū)動(dòng)器具有1.3A峰值源電流和2.5A峰值灌電流，能夠?yàn)镚aN FET提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力，確保其快速開關(guān)。

靈活的工作模式

該系列驅(qū)動(dòng)器提供兩種工作模式：單PWM輸入可調(diào)死區(qū)時(shí)間模式和兩個(gè)獨(dú)立輸入模式。在獨(dú)立輸入模式下，還可選擇輸入互鎖保護(hù)，有效防止上下橋臂直通。同時(shí)，分裂輸出允許獨(dú)立調(diào)整導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，進(jìn)一步優(yōu)化電路性能。

其他特性

塑料封裝經(jīng)過ASTM E595標(biāo)準(zhǔn)的放氣測試，適用于軍事溫度范圍（–55°C至125°C），確保在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性。

應(yīng)用領(lǐng)域

航天衛(wèi)星電源

在航天領(lǐng)域，輻射環(huán)境對電子設(shè)備的可靠性提出了極高要求。TPS7H60x5系列的卓越輻射性能使其成為衛(wèi)星電源系統(tǒng)的理想選擇，能夠?yàn)樾l(wèi)星的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，高頻、高效的特性可以提高電機(jī)的控制精度和效率，減少能量損耗。

反應(yīng)輪和通信有效載荷

反應(yīng)輪和通信有效載荷對設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性要求較高，該系列驅(qū)動(dòng)器的高性能和可靠性能夠滿足這些應(yīng)用的需求。

詳細(xì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

輸入電壓和線性調(diào)節(jié)器

輸入電壓范圍為10V至14V，為兩個(gè)低側(cè)線性調(diào)節(jié)器BP5L和BP7L供電。BP5L提供5V電壓，為低側(cè)邏輯電路和柵極驅(qū)動(dòng)電壓供電；BP7L提供7V電壓，為低側(cè)發(fā)射器供電。高側(cè)線性調(diào)節(jié)器BP5H以BOOT電壓為輸入，為外部FET提供5V柵極電壓。所有內(nèi)部線性調(diào)節(jié)器建議不要進(jìn)行外部加載，除非文檔中另有說明。

自舉操作

自舉電路是半橋配置中為高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器電路供電的關(guān)鍵。TPS7H60x5提供多種自舉電容充電選項(xiàng)，包括通過內(nèi)部自舉開關(guān)充電、直接從VIN充電和雙充電模式。自舉電容的選擇應(yīng)至少為高側(cè)GaN FET柵極電容的10倍，以確保穩(wěn)定的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。同時(shí)，自舉二極管、電阻的選擇也至關(guān)重要，需要考慮其耐壓、峰值電流處理能力和正向電壓降等因素。

輸入輸出和死區(qū)時(shí)間

輸入引腳PWM_LI和EN_HI具有內(nèi)部下拉電阻，其功能根據(jù)工作模式而異。在PWM模式下，PWM_LI作為單PWM控制信號(hào)輸入，EN_HI作為使能引腳；在獨(dú)立輸入模式下，PWM_LI和EN_HI分別作為低側(cè)和高側(cè)輸入。輸出采用分裂輸出結(jié)構(gòu)，可獨(dú)立調(diào)整導(dǎo)通和關(guān)斷速度。在PWM模式下，通過連接電阻到AGND來編程高低側(cè)輸出之間的死區(qū)時(shí)間，以防止上下橋臂直通。

輸入互鎖保護(hù)和欠壓鎖定

在獨(dú)立輸入模式下，可啟用輸入互鎖保護(hù)，防止GaN FET在半橋配置中發(fā)生直通。驅(qū)動(dòng)器還具有欠壓鎖定保護(hù)功能，當(dāng)內(nèi)部調(diào)節(jié)器、VIN或BOOT電壓低于閾值時(shí)，相應(yīng)的輸出將被拉低。同時(shí)，功率良好（PGOOD）引腳可指示低側(cè)線性調(diào)節(jié)器是否進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)。

應(yīng)用案例分析

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)過程。

設(shè)計(jì)要求

輸入電源電壓為100V，輸出電壓為28V，輸出電流為10A，開關(guān)頻率為500kHz，柵極驅(qū)動(dòng)器輸入電壓為12V，占空比為28%標(biāo)稱值，最大約35%，電感為15μH，選用EPC2307 GaN FET進(jìn)行評估，工作模式為PWM。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

1. 自舉和旁路電容選擇：自舉電容計(jì)算需考慮總柵極電荷、泄漏電流和開關(guān)頻率等因素，最終選擇100nF X7R電容。VIN電容應(yīng)至少為自舉電容的10倍，選用2.2μF和1μF的陶瓷X7R電容。同時(shí)，在BP5H、BP5L和BP7L輸出端選用1μF X7R陶瓷電容。
2. 自舉二極管選擇：自舉二極管需具有足夠的耐壓能力，能夠承受功率級(jí)輸入電壓，同時(shí)應(yīng)具備低正向電壓降、低結(jié)電容和快速恢復(fù)時(shí)間等特性。評估中選用150V、1A額定值的肖特基二極管。
3. 柵極電阻選擇：柵極電阻用于抑制寄生電容和電感引起的振蕩，同時(shí)可調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)中，導(dǎo)通和關(guān)斷路徑均選用2Ω電阻。
4. 死區(qū)時(shí)間電阻選擇：為避免高低側(cè)FET直通，同時(shí)減少GaN FET的第三象限導(dǎo)通時(shí)間，目標(biāo)死區(qū)時(shí)間約為25ns，選用30kΩ電阻。
5. 柵極驅(qū)動(dòng)器損耗計(jì)算：柵極驅(qū)動(dòng)器的損耗包括靜態(tài)功率損耗、泄漏電流功率損耗和柵極電荷充放電損耗等。通過相應(yīng)的公式計(jì)算，可評估驅(qū)動(dòng)器的功率損耗情況。

布局建議

由于增強(qiáng)型GaN FET具有小柵極電容和米勒電容，能夠?qū)崿F(xiàn)快速開關(guān)速度，但也對電路布局提出了更高要求。以下是一些布局建議：

1. 將GaN FET盡可能靠近柵極驅(qū)動(dòng)器放置，以減小整體環(huán)路電感，降低噪聲耦合。
2. 最小化自舉充電路徑的環(huán)路面積，因?yàn)樵撀窂娇赡馨叻逯惦娏鳌?/li>
3. 將所有旁路電容（VIN到AGND、BP5L到AGND、BP5H到ASW、BOOT到ASW）盡可能靠近器件和相應(yīng)引腳放置，選用低ESR和ESL的電容。
4. 分離功率走線和信號(hào)走線，減少不同層信號(hào)的重疊。
5. 使用短而低電感的路徑連接PSW到高側(cè)FET源極和PGND到低側(cè)FET源極，以減少開關(guān)時(shí)的負(fù)電壓瞬變。
6. 在GaN FET附近放置低ESR電容，以防止輸入電源總線上的過度振蕩。

總結(jié)

TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅(qū)動(dòng)器憑借其卓越的輻射性能、靈活的工作模式和強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力，為電子工程師在復(fù)雜環(huán)境下的設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求，合理選擇器件參數(shù)和布局方式，以確保電路的高性能和可靠性。你在使用類似驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。