TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅動器：太空應用的理想之選

在電子工程領域，特別是太空應用場景中，對于高性能、高可靠性的電子元件需求極為迫切。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柵極驅動器，看看它是如何在太空環境中發揮出色性能的。

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一、產品概述

TPS7H60x5系列包括TPS7H6005（200V額定值）、TPS7H6015（60V額定值）和TPS7H6025（22V額定值）三款產品。它們采用56引腳的HTSSOP塑料封裝，有QMLP和SEP兩種器件等級可供選擇。該系列驅動器專為高頻、高效和大電流應用而設計，可用于基于GaN的功率轉換器設計。

二、產品特性

2.1 出色的輻射性能

• 總電離劑量（TID）耐受性：輻射加固保證（RHA）高達100krad(Si)的總電離劑量，這使得它在輻射環境中能保持穩定的性能。
• 單粒子效應免疫：對單粒子瞬態（SET）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子柵極破裂（SEGR）免疫，線性能量轉移（LET）高達75 MeV - cm2 / mg。同時，對SET和單事件功能中斷（SEFI）的特性表征也達到了LET = 75 MeV - cm2 / mg。

2.2 強大的驅動能力

具有1.3A的峰值源電流和2.5A的峰值灌電流，能夠為GaN FET提供足夠的驅動能力。

2.3 靈活的工作模式

• PWM模式：單PWM輸入，可調節死區時間，適用于同步降壓轉換器。
• 獨立輸入模式（IIM）：兩個獨立輸入，可獨立控制高低側，還可選擇輸入互鎖保護，適用于多種應用場景。

2.4 快速的響應時間

典型傳播延遲為30ns，典型延遲匹配為5.5ns，能夠實現快速的開關動作。

2.5 寬溫度范圍

適用于軍事溫度范圍（–55°C至125°C），滿足太空等惡劣環境的要求。

三、應用場景

3.1 太空衛星電源

在太空衛星電源系統中，需要高度可靠的電源轉換設備。TPS7H60x5系列的輻射加固特性和高效性能，能夠確保衛星電源系統在輻射環境下穩定運行。

3.2 電機驅動

在電機驅動應用中，該系列驅動器可以提供快速的開關速度和精確的控制，提高電機的效率和性能。

3.3 反應輪

反應輪是衛星姿態控制的重要部件，TPS7H60x5系列能夠為反應輪提供穩定的驅動，確保衛星姿態的精確控制。

四、詳細設計要點

4.1 輸入電壓

在穩態運行時，輸入電壓VIN應在10V至14V之間。為了獲得最佳性能，建議在VIN和AGND之間添加一個旁路電容，該電容值通常至少是自舉電容值的10倍。

4.2 線性穩壓器操作

該系列驅動器包含三個內部線性穩壓器：BP5L、BP7L和BP5H。BP5L和BP7L為低側提供5V和7V的輸出電壓，BP5H為高側提供5V的輸出電壓。每個穩壓器的輸出都需要連接一個至少1μF的電容。

4.3 自舉操作

4.3.1 自舉充電

TPS7H60x5提供了多種自舉電容充電方式，包括通過內部自舉開關充電、直接通過VIN充電和雙充電方式。在選擇充電方式時，需要根據具體應用場景進行權衡。

4.3.2 自舉電容

自舉電容連接在BOOT和ASW之間，其值應至少是高側GaN FET柵極電容的10倍。可以通過公式計算所需的最小自舉電容值。

4.3.3 自舉二極管

自舉二極管需要能夠承受輸入電壓，并滿足一定的條件，以確保BP5H穩壓器不會觸發欠壓鎖定。

4.3.4 自舉電阻

自舉電阻用于限制啟動時的峰值電流和控制BOOT的壓擺率，建議使用至少2Ω的電阻。

4.4 輸入和輸出

輸入引腳PWM_LI和EN_HI具有內部下拉電阻，其功能根據工作模式的不同而變化。輸出采用分裂輸出結構，可獨立調節GaN FET的開關速度。

4.5 死區時間

在PWM模式下，需要在DLH和DHL引腳連接電阻來編程死區時間，以防止高低側開關的交叉導通。

4.6 輸入互鎖保護

在獨立輸入模式下，可以配置輸入互鎖保護，以防止半橋配置中GaN FET的直通現象。

4.7 欠壓鎖定和電源良好（PGOOD）

該系列驅動器具有欠壓鎖定保護功能，當內部穩壓器或VIN、BOOT電壓低于閾值時，會采取相應的保護措施。PGOOD引腳用于指示低側線性穩壓器是否進入欠壓鎖定狀態。

4.8 負SW電壓瞬變

在反向導通期間，GaN FET的源 - 漏電壓可能較高，需要注意防止BOOT電壓超過絕對最大值。可以使用外部齊納二極管來鉗位自舉電壓。

五、典型應用案例

以TPS7H6005在高壓同步降壓轉換器中的應用為例，詳細介紹了設計過程，包括自舉和旁路電容的選擇、自舉二極管的選擇、BP5x過沖和下沖的處理、柵極電阻的選擇、死區時間電阻的選擇以及柵極驅動器損耗的計算等。

六、設計建議

6.1 電源供應

建議使用10V至14V的偏置電源電壓，輸入電壓應良好調節并適當旁路。BOOT電壓應在8V至14V之間，以確保高側驅動器正常工作。

6.2 布局

• 盡量將GaN FET靠近柵極驅動器放置，以減小環路電感和噪聲耦合。
• 最小化自舉充電路徑的環路面積。
• 將所有旁路電容靠近相應的引腳放置，建議使用低ESR和低ESL的陶瓷電容。
• 分離電源走線和信號走線，避免信號重疊。
• 使用短而低電感的路徑連接PSW和PGND。
• 在GaN FET附近放置低ESR電容，以防止輸入電源總線的過度振蕩。

七、總結

TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅動器憑借其出色的輻射性能、靈活的工作模式、快速的響應時間和豐富的保護功能，成為太空應用以及其他對可靠性要求極高的應用場景的理想選擇。在設計過程中，我們需要根據具體應用需求，合理選擇充電方式、電容、二極管和電阻等元件，并注意布局和電源供應等方面的問題，以確保驅動器的最佳性能和可靠性。

各位工程師朋友，在實際應用中，你們是否遇到過類似的設計挑戰？對于TPS7H60x5系列驅動器，你們有什么獨特的見解和經驗呢？歡迎在評論區分享交流。