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

在電子工程師的設(shè)計(jì)生涯中，為特定應(yīng)用選擇合適的器件至關(guān)重要。對(duì)于那些需要在輻射環(huán)境下工作的高頻、高效電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，德州儀器（TI）的TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)值得深入研究的選擇。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下這款器件的特性、應(yīng)用以及設(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封裝，有QMLP和SEP兩種器件等級(jí)可供選擇。該系列驅(qū)動(dòng)器專(zhuān)為高頻、高效和大電流應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可用于基于GaN的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。

特性亮點(diǎn)

輻射性能卓越

在輻射環(huán)境中，器件的可靠性至關(guān)重要。TPS7H60x5系列具有出色的抗輻射性能，輻射加固保證（RHA）高達(dá)總電離劑量（TID）100krad(Si)。對(duì)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。SET和單事件功能中斷（SEFI）特性在LET = 75 MeV - cm2 / mg時(shí)也有良好表現(xiàn)。

強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力

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

靈活的工作模式

提供兩種工作模式：?jiǎn)蜳WM輸入且死區(qū)時(shí)間可調(diào)，以及兩個(gè)獨(dú)立輸入。在獨(dú)立輸入模式下，還可選輸入互鎖保護(hù)，為設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。

快速的響應(yīng)時(shí)間

典型傳播延遲僅30ns，高低側(cè)匹配時(shí)間為5.5ns，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，提高系統(tǒng)效率。

其他特性

塑料封裝經(jīng)過(guò)ASTM E595標(biāo)準(zhǔn)的放氣測(cè)試，適用于軍事溫度范圍（–55°C至125°C）。

應(yīng)用領(lǐng)域

空間衛(wèi)星電源

在空間衛(wèi)星電源系統(tǒng)中，輻射環(huán)境惡劣，對(duì)器件的可靠性要求極高。TPS7H60x5系列的抗輻射性能使其能夠在這種環(huán)境下穩(wěn)定工作，為衛(wèi)星電源提供可靠的驅(qū)動(dòng)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要高效、快速的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，該系列驅(qū)動(dòng)器的高驅(qū)動(dòng)能力和快速響應(yīng)時(shí)間能夠滿(mǎn)足電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需求。

其他應(yīng)用

還可用于反應(yīng)輪、通信有效載荷、光學(xué)成像有效載荷等領(lǐng)域。

詳細(xì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電源供應(yīng)

推薦的偏置電源電壓范圍為10V至14V，輸入電壓應(yīng)穩(wěn)定且經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)呐月诽幚怼OOT電壓應(yīng)在8V至14V之間，以確保高側(cè)驅(qū)動(dòng)器正常工作。同時(shí)，要在VIN和AGND引腳之間放置旁路電容，在BOOT和ASW引腳之間放置自舉電容。

自舉電路設(shè)計(jì)

自舉電路是半橋配置中為高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器供電的關(guān)鍵。自舉電容的選擇要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行計(jì)算，一般應(yīng)至少為高側(cè)GaN FET柵極電容的10倍。自舉二極管要能夠承受輸入電壓，并且在啟動(dòng)期間能夠處理峰值瞬態(tài)電流。自舉電阻的選擇也很重要，建議至少為2Ω，以限制啟動(dòng)期間的峰值電流和控制BOOT引腳的壓擺率。

輸入輸出配置

輸入引腳PWM_LI和EN_HI具有內(nèi)部下拉電阻，功能根據(jù)工作模式不同而變化。輸出采用分裂輸出，高低側(cè)分別有源輸出和灌輸出，可獨(dú)立調(diào)整GaN FET的開(kāi)關(guān)時(shí)間。

死區(qū)時(shí)間設(shè)置

在PWM模式下，需要通過(guò)連接到AGND的電阻來(lái)編程死區(qū)時(shí)間，以防止高低側(cè)開(kāi)關(guān)之間的交叉導(dǎo)通，同時(shí)最小化死區(qū)期間的損耗。

輸入互鎖保護(hù)

在獨(dú)立輸入模式下，可配置輸入互鎖保護(hù)，通過(guò)連接DHL和DLH引腳來(lái)激活或禁用該功能，提高功率級(jí)的魯棒性和可靠性。

欠壓鎖定和電源良好指示

器件具有欠壓鎖定（UVLO）功能，可保護(hù)內(nèi)部調(diào)節(jié)器和VIN、BOOT電壓。電源良好（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)。

負(fù)SW電壓瞬態(tài)處理

雖然增強(qiáng)型GaN FET能夠反向?qū)ǎ诜聪驅(qū)ㄆ陂g，SW引腳可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓瞬態(tài)。為了避免BOOT電壓過(guò)高，可在BOOT和SW之間使用外部齊納二極管進(jìn)行鉗位。

布局建議

減小環(huán)路電感

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，減少噪聲耦合問(wèn)題。

優(yōu)化自舉充電路徑

最小化自舉充電路徑的環(huán)路面積，確保自舉電容和二極管的布局能夠?qū)崿F(xiàn)小環(huán)路面積。

合理放置旁路電容

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，推薦使用低ESR、低ESL的陶瓷電容。

分離功率和信號(hào)走線

分離功率走線和信號(hào)走線，減少不同層信號(hào)的重疊。

縮短連接路徑

使用短而低電感的路徑連接PSW到高側(cè)FET源極，PGND到低側(cè)FET源極，以減少開(kāi)關(guān)期間的負(fù)電壓瞬態(tài)。

做好去耦處理

在GaN FET附近放置低ESR電容，防止輸入電源總線上出現(xiàn)過(guò)度的振鈴。

總結(jié)

TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅(qū)動(dòng)器憑借其卓越的抗輻射性能、強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力、靈活的工作模式和快速的響應(yīng)時(shí)間，為電子工程師在輻射環(huán)境下的高頻、高效電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇電源供應(yīng)、自舉電路組件、輸入輸出配置等，并遵循布局建議，以確保器件能夠發(fā)揮最佳性能。希望本文能夠?qū)Ω魑还こ處熢谑褂肨PS7H60x5系列器件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。