LMG2652：650V 140mΩ GaN 半橋芯片的卓越性能與應(yīng)用解析

在當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高效、緊湊且性能卓越的功率器件是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)電源解決方案的關(guān)鍵。德州儀器（TI）推出的 LMG2652 650V 140mΩ GaN 半橋芯片，以其集成化的設(shè)計(jì)和出色的性能，為電源設(shè)計(jì)帶來了新的可能性。今天，我們就來深入探討一下這款芯片的特點(diǎn)、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 高集成度設(shè)計(jì)

LMG2652 將半橋功率 FET、柵極驅(qū)動(dòng)器、自舉二極管和高端柵極驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè) 6mm x 8mm 的 QFN 封裝中。這種集成化設(shè)計(jì)大大簡化了電路設(shè)計(jì)，減少了元件數(shù)量，同時(shí)也節(jié)省了電路板空間，讓設(shè)計(jì)更加緊湊高效。

2. 出色的電氣性能

• 低導(dǎo)通電阻：低側(cè)和高側(cè) GaN FET 的導(dǎo)通電阻僅為 140mΩ，有效降低了功率損耗，提高了電源轉(zhuǎn)換效率。
• 快速開關(guān)特性：集成的柵極驅(qū)動(dòng)器具有小于 100ns 的低傳播延遲，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的開關(guān)動(dòng)作，減少開關(guān)損耗。
• 高精度電流感測：電流感測仿真功能具有高帶寬和高精度的特點(diǎn)，通過低側(cè)電流感測仿真，相比傳統(tǒng)的電流感測電阻，進(jìn)一步降低了功率損耗，并且允許低側(cè)散熱焊盤連接到冷卻 PCB 電源地，提升了系統(tǒng)的散熱性能。

  3. 全面的保護(hù)功能

• 過流保護(hù)：支持低側(cè)和高側(cè)逐周期過流保護(hù)，能夠及時(shí)檢測并響應(yīng)過流情況，保護(hù)芯片和電路安全。
• 過溫保護(hù)：具備過溫保護(hù)功能，當(dāng)芯片溫度超過設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)采取保護(hù)措施，確保芯片在安全的溫度范圍內(nèi)工作。
• 欠壓鎖定：AUX 和 BST 輸入電源具備欠壓鎖定功能，防止芯片在電源電壓不穩(wěn)定時(shí)出現(xiàn)異常工作。

  4. 低靜態(tài)電流

  AUX 空閑靜態(tài)電流僅為 250μA，AUX 待機(jī)靜態(tài)電流為 50μA，BST 空閑靜態(tài)電流為 70μA。低靜態(tài)電流特性使得芯片在輕載和待機(jī)模式下能夠有效降低功耗，滿足電源系統(tǒng)對節(jié)能的要求。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

LMG2652 憑借其優(yōu)異的性能，在多個(gè)電源應(yīng)用領(lǐng)域都有著出色的表現(xiàn)：

• AC/DC 適配器和充電器：適用于各種規(guī)格的 AC/DC 適配器和充電器，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換，滿足快速充電的需求。
• USB 墻式電源插座：為 USB 墻式電源插座提供穩(wěn)定、高效的電源供應(yīng)，支持多設(shè)備同時(shí)充電。
• 輔助電源：可作為 AC/DC 輔助電源，為其他電路模塊提供可靠的電源支持。

三、詳細(xì)技術(shù)解析

1. 引腳配置與功能

LMG2652 采用 19 引腳 VQFN 封裝，每個(gè)引腳都有其特定的功能。例如，INL 和 INH 引腳分別用于控制低側(cè)和高側(cè) GaN FET 的開關(guān)動(dòng)作；CS 引腳用于輸出低側(cè)漏極電流的縮放副本，通過連接一個(gè)電阻到 AGND，可創(chuàng)建電流感測輸入信號(hào)到外部電源控制器；BST 引腳是自舉電壓軌，為高端電路提供電源。詳細(xì)的引腳功能可參考數(shù)據(jù)手冊中的表格，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體需求正確連接和使用各個(gè)引腳。

2. 規(guī)格參數(shù)

• 絕對最大額定值：規(guī)定了芯片在各種條件下能夠承受的最大電壓、電流和溫度等參數(shù)。例如，低側(cè)和高側(cè)漏源電壓的最大值為 650V，在浪涌條件下可承受 720V 的電壓，瞬態(tài)振鈴峰值電壓可達(dá) 800V。在實(shí)際應(yīng)用中，必須確保芯片工作在絕對最大額定值范圍內(nèi)，以避免芯片損壞。
• 推薦工作條件：給出了芯片正常工作時(shí)的最佳電壓、電流和溫度等參數(shù)范圍。例如，AUX 電源電壓推薦范圍為 10V - 26V，BST 電源電壓推薦范圍為 7.5V - 26V。遵循推薦工作條件可以保證芯片的性能和可靠性。
• 電氣特性和開關(guān)特性：詳細(xì)描述了芯片在不同工作條件下的電氣性能和開關(guān)性能。例如，低側(cè)和高側(cè) GaN FET 的導(dǎo)通電阻、開關(guān)延遲時(shí)間、上升時(shí)間和下降時(shí)間等參數(shù)。這些參數(shù)對于評(píng)估芯片的性能和進(jìn)行電路設(shè)計(jì)非常重要。

  3. 工作原理與功能模塊

• 電流感測仿真：通過將低側(cè)漏極電流的縮放副本輸出到 CS 引腳，實(shí)現(xiàn)了電流感測功能。這種方式相比傳統(tǒng)的電流感測電阻，不僅節(jié)省了功率和空間，還提高了系統(tǒng)的熱性能。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的 CS 引腳電阻，以滿足電流感測的要求。
• 高端柵極驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換：內(nèi)部的高端柵極驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換器能夠可靠地將 INH 引腳信號(hào)傳輸?shù)礁叨藮艠O驅(qū)動(dòng)器，確保高端 GaN FET 的正?？刂?。該電平轉(zhuǎn)換器對芯片的靜態(tài)電流影響極小，且不影響芯片的啟動(dòng)時(shí)間。
• 自舉二極管功能：采用智能開關(guān) GaN 自舉 FET 實(shí)現(xiàn)自舉二極管功能。這種設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)自舉二極管的正向電壓降和過充電問題，同時(shí)具有更低的電容和無反向恢復(fù)電荷，提高了自舉功能的開關(guān)效率。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電源供應(yīng)

LMG2652 由連接到 AUX 引腳的單個(gè)輸入電源供電，BST 引腳由 AUX 引腳內(nèi)部供電。推薦 AUX 外部電容為陶瓷電容，且至少是 BST - SW 外部電容的三倍。BST - SW 外部電容推薦為至少 10nF 的陶瓷電容。在設(shè)計(jì)電源時(shí)，需要確保電源的穩(wěn)定性和可靠性，以滿足芯片的工作要求。

2. 布局設(shè)計(jì)

• 焊點(diǎn)應(yīng)力緩解：大型 QFN 封裝可能會(huì)面臨較高的焊點(diǎn)應(yīng)力。為了緩解焊點(diǎn)應(yīng)力，需要遵循 NC 錨定引腳的連接說明，所有電路板焊盤應(yīng)采用非阻焊定義（NSMD）方式，并且連接到 NSMD 焊盤的電路板走線在未被阻焊層覆蓋時(shí)，寬度應(yīng)小于焊盤寬度的 2/3。
• 信號(hào)地連接：設(shè)計(jì)電源時(shí)應(yīng)采用獨(dú)立的信號(hào)地和電源地，僅在一處連接。將 LMG2652 的 AGND 引腳連接到信號(hào)地，SL 引腳和低側(cè)散熱焊盤連接到電源地，利用芯片內(nèi)部的連接作為信號(hào)地和電源地的唯一連接點(diǎn)。
• CS 引腳信號(hào)：由于電流感測信號(hào)的阻抗比傳統(tǒng)電流感測信號(hào)高三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在布線時(shí)應(yīng)盡量避免將電流感測信號(hào)靠近任何噪聲較大的走線。將電流感測電阻和濾波電容放置在靠近控制器電流感測輸入引腳的位置，以減少信號(hào)噪聲的影響。

五、典型應(yīng)用案例

1. 200W LLC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

在 200W LLC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，LMG2652 與 UCC256602 等控制器配合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體的輸入輸出要求，合理選擇電路參數(shù)和元件值。例如，輸入 DC 電壓范圍為 365V - 410V，輸出 DC 電壓為 19.5V，輸出額定電流為 10.3A 等。通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和布局，可以提高轉(zhuǎn)換器的效率和性能。

2. 140W AHB 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

在 140W AHB 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，LMG2652 與 AHB 控制器等配合，為電源系統(tǒng)提供穩(wěn)定的功率輸出。同樣，需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和元件選擇，確保轉(zhuǎn)換器的性能和可靠性。

六、總結(jié)

LMG2652 作為一款高性能的 GaN 半橋芯片，以其高集成度、出色的電氣性能、全面的保護(hù)功能和低靜態(tài)電流等優(yōu)點(diǎn)，在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們需要深入理解芯片的特性和工作原理，遵循推薦的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和布局規(guī)則，以充分發(fā)揮芯片的性能優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電源解決方案。希望通過本文的介紹，能夠幫助廣大電子工程師更好地了解和應(yīng)用 LMG2652 芯片。大家在使用過程中有任何問題或經(jīng)驗(yàn)，歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。