德州儀器LMG2610：650V GaN半橋的卓越性能與應(yīng)用解析

在當(dāng)今的電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高效、緊湊且可靠的電源解決方案需求日益增長(zhǎng)。德州儀器（TI）的LMG2610作為一款集成650 - V GaN功率FET半橋，為有源鉗位反激（ACF）轉(zhuǎn)換器帶來了新的突破。本文將深入剖析LMG2610的特性、應(yīng)用、技術(shù)細(xì)節(jié)以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能為電子工程師們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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一、產(chǎn)品概述

LMG2610專為開關(guān)模式電源應(yīng)用中的＜75 - W有源鉗位反激（ACF）轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)。它通過將半橋功率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)9 mm x 7 mm的QFN封裝中，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減少了元件數(shù)量和電路板空間。其不對(duì)稱的GaN FET電阻針對(duì)ACF工作條件進(jìn)行了優(yōu)化，可編程的導(dǎo)通壓擺率提供了對(duì)EMI和振鈴的有效控制。

二、關(guān)鍵特性解析

2.1 GaN功率FET性能

LMG2610采用了650 - V GaN功率FET半橋，其中低側(cè)FET的導(dǎo)通電阻為170 mΩ，高側(cè)FET為248 mΩ。這種不對(duì)稱的設(shè)計(jì)能更好地適應(yīng)ACF的工作條件，充分利用GaN FET的總尺寸。與傳統(tǒng)的硅FET相比，GaN FET具有更高的擊穿電壓，LMG2610的GaN功率FET擊穿電壓超過800 V，使其能夠在超出相同標(biāo)稱額定值的硅FET的條件下工作。

2.2 柵極驅(qū)動(dòng)器與壓擺率控制

內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器可調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓，以實(shí)現(xiàn)最佳的GaN功率FET導(dǎo)通電阻。同時(shí)，它還能減少總柵極電感和GaN FET共源電感，提高開關(guān)性能，包括共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）。低側(cè)和高側(cè)GaN FET的導(dǎo)通壓擺率可以分別編程為四個(gè)離散設(shè)置之一，為設(shè)計(jì)人員在功率損耗、開關(guān)引起的振鈴和EMI方面提供了更大的靈活性。

2.3 電流感測(cè)仿真

電流感測(cè)仿真功能在CS引腳輸出端產(chǎn)生低側(cè)漏極電流的縮放副本。CS引腳通過一個(gè)電阻連接到AGND，以創(chuàng)建到外部電源控制器的電流感測(cè)輸入信號(hào)。這種設(shè)計(jì)取代了傳統(tǒng)的與低側(cè)GaN FET源極串聯(lián)的電流感測(cè)電阻，顯著節(jié)省了功率和空間。而且，由于沒有與GaN源極串聯(lián)的電流感測(cè)電阻，低側(cè)GaN FET的散熱墊可以直接連接到PCB電源地，既提高了系統(tǒng)的熱性能，又增加了器件布線的靈活性。

2.4 高端柵極驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換器

高端柵極驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換器減少了敏感的高端柵極驅(qū)動(dòng)路徑的電容耦合，與外部解決方案相比，具有更低的噪聲敏感性和更好的CMTI。與外部解決方案相比，它對(duì)器件靜態(tài)電流的影響最小，并且對(duì)器件啟動(dòng)時(shí)間沒有影響。

2.5 自舉二極管功能

AUX和BST之間的自舉二極管功能通過智能開關(guān)的GaN自舉FET實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的自舉二極管相比，開關(guān)式GaN自舉FET允許更完全地對(duì)BST - SW電容器充電，避免了BST - SW電容器過充電的問題，并且具有更低的電容和零反向恢復(fù)電荷，從而實(shí)現(xiàn)更高效的開關(guān)。

2.6 保護(hù)功能

LMG2610具備多種保護(hù)功能，包括低側(cè)/高側(cè)欠壓鎖定（UVLO）、低側(cè)/高側(cè)輸入柵極驅(qū)動(dòng)互鎖、低側(cè)/高側(cè)逐周期電流限制和過溫保護(hù)。這些保護(hù)功能有助于確保轉(zhuǎn)換器在各種工作條件下的穩(wěn)定性和可靠性。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 有源鉗位反激電源轉(zhuǎn)換器

LMG2610的特性使其非常適合用于有源鉗位反激電源轉(zhuǎn)換器，能夠提高轉(zhuǎn)換效率，減少開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS），從而滿足現(xiàn)代電源對(duì)高效、緊湊的要求。

3.2 AC/DC適配器和充電器

在AC/DC適配器和充電器中，LMG2610可以幫助實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更好的輕載效率，滿足快速充電和小型化的市場(chǎng)需求。

3.3 AC/DC USB壁式插座電源和輔助電源

對(duì)于AC/DC USB壁式插座電源和輔助電源，LMG2610的集成設(shè)計(jì)和低靜態(tài)電流特性有助于降低功耗，提高系統(tǒng)的整體性能。

四、典型應(yīng)用案例 - 65 - W USB - PD充電器

4.1 設(shè)計(jì)要求

在65 - W USB - PD充電器的應(yīng)用中，對(duì)輸入和輸出特性有明確的要求。輸入電壓范圍為90 - 264 V RMS，輸出電壓有20 V、15 V、9 V和5 V等多種設(shè)置，輸出電流根據(jù)不同的輸出電壓也有相應(yīng)的額定值。同時(shí)，對(duì)輸出紋波電壓、滿載效率、平均效率等性能指標(biāo)也有嚴(yán)格的要求。

4.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

4.2.1 導(dǎo)通壓擺率設(shè)計(jì)

在正常的有源鉗位反激（ACF）操作中，高端功率開關(guān)在零電壓開關(guān)（ZVS）條件下工作，因此高端GaN功率FET應(yīng)編程為盡可能快地導(dǎo)通，以最小化高端GaN功率FET的第三象限損耗。而低端功率開關(guān)根據(jù)負(fù)載條件在ZVS和非ZVS谷底開關(guān)下工作，為了最小化EMI和電路振鈴，同時(shí)不增加開關(guān)損耗，低端應(yīng)編程為盡可能慢地導(dǎo)通。

4.2.2 電流感測(cè)設(shè)計(jì)

根據(jù)UCC28782高密度有源鉗位反激控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)中的傳統(tǒng)電流感測(cè)電阻計(jì)算方法，結(jié)合LMG2610的電流感測(cè)仿真功能，計(jì)算出CS引腳的電阻值。同時(shí)，需要對(duì)ROPP電阻進(jìn)行調(diào)整，以考慮CS電阻的顯著值。

五、電源供應(yīng)建議

LMG2610通過連接到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。建議使用的AUX電壓范圍為10 - 26 V，與常見的控制器電源引腳導(dǎo)通和UVLO電壓限制重疊。BST - SW外部電容建議使用至少10 nF的陶瓷電容，AUX外部電容建議使用至少是BST - SW電容三倍的陶瓷電容。

六、布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)

6.1 焊點(diǎn)應(yīng)力緩解

對(duì)于大型QFN封裝，為了緩解焊點(diǎn)應(yīng)力，需要遵循NC1、NC2和NC3錨定引腳的說明，所有電路板焊盤應(yīng)為非阻焊定義（NSMD），連接到NSMD焊盤的電路板走線在連接焊盤側(cè)的寬度應(yīng)小于焊盤寬度的2/3。

6.2 信號(hào)地連接

電源設(shè)計(jì)應(yīng)采用單獨(dú)的信號(hào)地和電源地，僅在一處連接。將LMG2610的AGND引腳連接到信號(hào)地，SL引腳和PADL散熱墊連接到電源地。為了便于電路板調(diào)試，在未安裝LMG2610時(shí)，可以將AGND焊盤連接到PADL散熱墊。

6.3 CS引腳信號(hào)

由于電流感測(cè)信號(hào)的阻抗比傳統(tǒng)電流感測(cè)信號(hào)高三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此應(yīng)盡量減少電流感測(cè)信號(hào)靠近任何嘈雜的走線。將電流感測(cè)電阻和任何濾波電容放置在靠近控制器電流感測(cè)輸入引腳的走線末端。

七、總結(jié)

LMG2610作為一款集成度高、性能卓越的650 - V GaN半橋，為有源鉗位反激轉(zhuǎn)換器提供了全面的解決方案。其豐富的特性和保護(hù)功能使其在電源設(shè)計(jì)中具有很大的優(yōu)勢(shì)，無論是在效率、尺寸還是可靠性方面都能滿足現(xiàn)代電源的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇導(dǎo)通壓擺率、電流感測(cè)電阻等參數(shù)，并注意布局設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，以充分發(fā)揮LMG2610的性能。希望本文能為電子工程師們?cè)谑褂肔MG2610進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)提供有益的參考。

大家在使用LMG2610的過程中遇到過哪些問題呢？或者對(duì)其應(yīng)用還有哪些疑問，歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。