輻射加固半橋氮化鎵FET柵極驅動器：TPS7H60x5系列深度解析

一、引言

在電子工程領域，特別是涉及到空間衛星電源、電機驅動等對可靠性和性能要求極高的應用場景中，合適的柵極驅動器至關重要。德州儀器（TI）的TPS7H60x5系列輻射加固（RHA）氮化鎵（GaN）場效應晶體管（FET）柵極驅動器，便是為滿足這些嚴苛應用而設計的高性能器件。本文將對TPS7H60x5系列進行全面解析，探討其特點、應用、設計要點等內容。

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二、產品概述

（一）產品系列組成

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和空間增強塑料（SEP）兩種等級可供選擇。

（二）主要特點

1. 輻射性能卓越：
   • 具備高達100krad(Si)的總電離劑量（TID）輻射加固保證（RHA）。
   • 對線性能量轉移（LET）為75 MeV - cm2 / mg的單粒子瞬態（SET）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子柵極擊穿（SEGR）免疫。
   • 對LET高達75 MeV - cm2 / mg的單粒子瞬態（SET）和單粒子功能中斷（SEFI）有良好的特性表現。
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（獨立輸入模式），典型延遲匹配為5.5ns。
   • 提供可調的死區時間能力。
3. 多種工作模式：
   • 單PWM輸入，死區時間可調。
   • 兩個獨立輸入，且在獨立輸入模式下可選擇輸入互鎖保護。
   • 采用分離式輸出，可獨立調節開啟和關斷時間。
4. 其他特點：
   • 塑料封裝經過ASTM E595標準的逸氣測試。
   • 工作溫度范圍覆蓋軍事溫度范圍（–55°C至125°C）。

三、產品應用

TPS7H60x5系列的應用非常廣泛，主要包括以下幾個方面：

1. 空間衛星電源：在衛星的各種電源系統中，如衛星電力系統、通信有效載荷電源等，對器件的輻射耐受性和可靠性要求極高，TPS7H60x5系列能夠滿足這些需求，確保電源系統的穩定運行。
2. 電機驅動：在電機驅動應用中，高頻率、高效率和高電流的特性使得該系列驅動器能夠更好地控制電機的運行，提高電機的性能和效率。
3. 反作用輪：反作用輪是衛星姿態控制的關鍵部件，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行。
4. 通信有效載荷和光學成像有效載荷：為這些對信號質量和穩定性要求較高的載荷提供穩定的供電和驅動，確保通信和成像的質量。

四、器件詳細比較

（一）絕對最大電壓和推薦工作電壓

從表格中可以看出，不同型號的器件具有不同的電壓額定值，在設計時需要根據實際應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，以下是一些關鍵引腳的介紹：

1. BOOT：高側線性穩壓器的輸入電壓源，外部自舉電容連接在BOOT和ASW之間。
2. ASW：高側驅動器信號返回端，部分引腳內部連接到PSW和高側散熱墊。
3. BST：用于自舉充電，是自舉二極管陽極連接點。
4. VIN：柵極驅動器輸入電壓源，輸入電壓范圍為10V至14V。
5. DHL和DLH：分別用于設置高側到低側和低側到高側的死區時間，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，當任何低側內部線性穩壓器或VIN進入欠壓鎖定時，該引腳置低。

在實際設計中，正確理解和使用這些引腳功能對于確保器件的正常運行至關重要。

六、規格參數

（一）絕對最大額定值

TPS7H60x5系列的絕對最大額定值規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，例如VIN到AGND的電壓范圍為–0.3V至16V等。在使用器件時，必須嚴格遵守這些參數，否則可能會導致器件永久性損壞。

（二）ESD額定值

靜電放電（ESD）是電子器件在生產和使用過程中需要重點關注的問題。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。在實際操作中，需要采取適當的防靜電措施，以保護器件不受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。例如，VIN到AGND的推薦電壓范圍為10V至14V，工作結溫范圍為–55°C至125°C。在這些條件下工作，器件能夠發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，如靜態電流、動態電流、輸出電壓精度等。例如，低側靜態電流在不同工作模式下有所不同，在PWM模式下，當VIN = 12V，BOOT = 10V時，典型值為5mA至6.8mA。了解這些電氣特性有助于工程師在設計中進行準確的功耗計算和性能評估。

（五）開關特性

開關特性描述了器件在開關過程中的性能，如傳播延遲、上升時間、下降時間等。例如，LO關斷傳播延遲在PWM模式下典型值為30ns，在獨立輸入模式下典型值為27ns至38ns。這些參數對于高速開關應用非常重要，能夠影響系統的整體性能。

（六）質量一致性檢驗

該系列器件遵循MIL - STD - 883標準的方法5005進行質量一致性檢驗，包括不同溫度下的靜態測試、動態測試和功能測試等。通過這些檢驗，確保器件的質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，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，在設計中進行合理的參數選擇和優化。

七、詳細工作原理

（一）輸入電壓

在穩態運行期間，TPS7H60x5的輸入電壓必須在10V至14V之間。該電壓為兩個低側線性穩壓器BP5L和BP7L提供輸入，同時也用于為外部高側自舉電容充電。為了獲得最佳性能，需要在VIN和AGND之間添加旁路電容，并且該電容應盡可能靠近柵極驅動器放置，其值通常至少是自舉電容值的十倍。

（二）線性穩壓器操作

該器件包含三個內部線性穩壓器：BP5L、BP7L和BP5H。BP5L和BP7L位于低側，分別提供5V和7V的標稱輸出電壓，用于為低側邏輯電路和柵極驅動提供電源。BP5H位于高側，以BOOT引腳的電壓為輸入，為高側邏輯電路和外部FET提供5V的柵極電壓。每個穩壓器都需要一個最小為1μF的電容連接到相應的地引腳。

（三）自舉操作

1. 自舉充電：TPS7H60x5提供了多種自舉電容充電方式：
   • 通過內部自舉開關充電：內部自舉開關連接在VIN和BST引腳之間，外部自舉二極管連接在BST和BOOT之間。該開關僅在低側驅動器輸出開啟時導通，可減少自舉電容上的最大電壓。
   • 直接從VIN充電：這是一種更傳統的方法，適用于低側FET開啟不即時的情況。在這種情況下，可以通過在自舉電容串聯電阻、并聯齊納二極管或兩者結合的方式來防止自舉電容過充電。
   • 雙充電方式：結合了內部自舉開關和直接從VIN充電的方法，既能避免啟動時的自舉充電問題，又能利用內部開關在正常運行時降低自舉電壓。但這種方式會增加元件數量。
2. 自舉電容：外部自舉電容連接在BOOT和ASW之間，其電壓作為高側線性穩壓器BP5H的輸入。一般來說，自舉電容的值應至少是高側GaN FET柵極電容的10倍。更精確的計算可以根據總柵極電荷、靜態電流、最大占空比、開關頻率和允許的最大電壓降等參數進行。
3. 自舉二極管：自舉二極管需要能夠承受施加到半橋轉換器功率級的輸入電壓，并且能夠處理啟動期間的峰值瞬態電流。建議使用快速恢復二極管，并確保其正向電壓降不會觸發BP5H穩壓器的欠壓鎖定。
4. 自舉電阻：自舉電阻用于限制柵極驅動器啟動時的峰值電流和控制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引入時間常數，需要檢查充電和刷新自舉電容電荷所需的時間是否符合要求。

（四）高側驅動器啟動

為了使高側驅動器正常啟動，BOOT到SW的電壓必須大于BOOT UVLO上升閾值（典型值為6.4V）。在半橋轉換器配置中，如果輸出存在預偏置電壓，自舉電容可能無法在輸出電壓充分放電之前從VIN充電。在VIN發生欠壓恢復時也會出現類似問題。可以通過在轉換器輸出端添加放電電路來解決這個問題。

（五）輸入和輸出

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

輸出采用分離式設計，高側有HOH和HOL（源和灌輸出），低側有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，通過在輸出路徑中添加額外的阻抗，可以獨立調節GaN器件的開啟和關斷速度。

（六）死區時間

在PWM模式下，需要在DLH和DHL引腳連接到AGND的電阻來編程死區時間。DHL電阻設置高側輸出（HO）關斷到低側輸出（LO）開啟之間的死區時間，DLH電阻設置低側輸出（LO）關斷到高側輸出（HO）開啟之間的死區時間。死區時間的選擇需要謹慎，以防止高側和低側開關之間的交叉導通，同時最小化該期間的損耗。

（七）輸入互鎖保護

在獨立輸入模式下，TPS7H60x5可以配置輸入互鎖保護。激活該保護時，DHL連接到5V，DLH連接一個阻值在100kΩ至220kΩ之間的電阻到AGND。該保護旨在防止半橋配置中GaN FET的直通現象，提高功率級的魯棒性和可靠性。當兩個輸入都為高電平時，內部邏輯會將兩個輸出都關閉，直到其中一個輸入變為低電平。

（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。當任何低側線性穩壓器或VIN的輸出電壓低于UVLO閾值時，PWM輸入將被忽略，以防止GaN FET部分導通。此時，UVLO會主動將LO和HO拉低。當低側穩壓器和VIN都高于各自的UVLO閾值，但高側UVLO觸發時，只有HO會被拉低。

PGOOD引腳用于指示任何低側線性穩壓器是否進入欠壓鎖定狀態。當所有低側穩壓器和VIN都超過各自的上升UVLO閾值時，該引腳置高；當其中任何一個低于相應的下降UVLO閾值時，該引腳置低。建議在PGOOD和BP5L之間連接一個10kΩ的上拉電阻。

（九）負SW電壓瞬態

由于增強型GaN FET的對稱結構，在反向導通期間，開關節點引腳（ASW和PSW）會出現負電壓瞬態。這可能導致自舉電壓過高，因此需要確保BOOT到SW的電壓差不超過絕對最大值。一般情況下，BOOT會瞬間跟隨SW，但可以在BOOT和SW之間使用外部齊納二極管來鉗位自舉電壓。

（十）電平轉換器

TX和RX電平轉換器用于在低側輸入和以高電壓開關節點（ASW）為參考的高側驅動器級之間進行接口，實現對HO輸出的控制。高側和低側信號路徑中的電平轉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、應用和設計要點

（一）應用信息

TPS7H60x5系列主要用于優化空間環境中GaN FET的控制，適用于高頻、高效率的空間級轉換器設計。它具有集成的5V線性穩壓器，為高低側的柵極電壓提供穩定的電源，確保GaN FET的可靠性。該系列驅動器適用于多種常見的轉換器拓撲，如半橋、推挽、有源鉗位正激和雙開關正激等。

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

（二）典型應用示例

以TPS7H6005在高壓同步降壓轉換器中的應用為例，詳細介紹設計過程：

1. 設計要求：
   • 電源級輸入電壓：100V
   • 輸出電壓：28V
   • 輸出電流：10A
   • 開關頻率：500kHz
   • 柵極驅動器輸入電壓：12V
   • 占空比：標稱28%，最大約35%
   • 電感：15μH
   • GaN FET：EPC2307（僅用于評估）
   • 工作模式：PWM
2. 詳細設計過程：
   • 自舉和旁路電容：
     • 自舉電容的選擇需要確保其在正常運行期間能夠維持在BOOT UVLO下降閾值以上。通過計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、電壓和負載瞬變的影響，選擇100nF的X7R電容。
     • VIN電容應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，BP5H、BP5L和BP7L輸出端應使用1μF的X7R陶瓷電容，并盡可能靠近相應引腳放置。
   • 自舉二極管：自舉二極管需要能夠承受電源級輸入電壓，并且具有低正向電壓降、低結電容和快速恢復時間。對于評估設置，選擇了150V、1A額定的肖特基二極管，但實際應用中需要選擇滿足系統性能和輻射要求的二極管。
   • BP5x過沖和欠沖：由于PCB布局和GaN FET的寄生電感和電容，在開關過程中可能會導致柵極驅動波形出現振蕩，從而超過所選GaN FET的絕對最大VGS額定值。為了減輕振蕩幅度，需要將驅動器靠近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的開啟和關斷路徑中串聯電阻，用于抑制寄生電感和電容引起的振蕩，同時也可以調節驅動強度。對于該設計，選擇2Ω的電阻，并根據相關公式計算高側和低側的峰值源電流和灌電流。
   • 死區時間電阻：在PWM模式下，需要選擇合適的死區時間電阻來設置高側和低側之間的死區時間，以避免交叉導通和最小化損耗。對于該應用，目標死區時間約為25ns，選擇30kΩ的電阻。
   • **柵極驅動器損耗