TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅動器深度解析

在電子工程師的設計生涯中，為特定應用選擇合適的器件至關重要。對于那些需要在輻射環境下工作的高頻、高效電源轉換器設計，德州儀器（TI）的TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅動器是一個值得深入研究的選擇。今天，我們就來詳細探討一下這款器件的特性、應用以及設計要點。

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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。

特性亮點

輻射性能卓越

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

強大的驅動能力

驅動器具有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。

靈活的工作模式

提供兩種工作模式：單PWM輸入且死區時間可調，以及兩個獨立輸入。在獨立輸入模式下，還可選輸入互鎖保護，為設計提供了更多的靈活性。

快速的響應時間

典型傳播延遲僅30ns，高低側匹配時間為5.5ns，能夠實現快速的開關動作，提高系統效率。

其他特性

塑料封裝經過ASTM E595標準的放氣測試，適用于軍事溫度范圍（–55°C至125°C）。

應用領域

空間衛星電源

在空間衛星電源系統中，輻射環境惡劣，對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境下穩定工作，為衛星電源提供可靠的驅動。

電機驅動

電機驅動需要高效、快速的開關動作，該系列驅動器的高驅動能力和快速響應時間能夠滿足電機驅動的需求。

其他應用

還可用于反應輪、通信有效載荷、光學成像有效載荷等領域。

詳細設計要點

電源供應

推薦的偏置電源電壓范圍為10V至14V，輸入電壓應穩定且經過適當的旁路處理。BOOT電壓應在8V至14V之間，以確保高側驅動器正常工作。同時，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。

自舉電路設計

自舉電路是半橋配置中為高側柵極驅動器供電的關鍵。自舉電容的選擇要根據具體應用進行計算，一般應至少為高側GaN FET柵極電容的10倍。自舉二極管要能夠承受輸入電壓，并且在啟動期間能夠處理峰值瞬態電流。自舉電阻的選擇也很重要，建議至少為2Ω，以限制啟動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具有內部下拉電阻，功能根據工作模式不同而變化。輸出采用分裂輸出，高低側分別有源輸出和灌輸出，可獨立調整GaN FET的開關時間。

死區時間設置

在PWM模式下，需要通過連接到AGND的電阻來編程死區時間，以防止高低側開關之間的交叉導通，同時最小化死區期間的損耗。

輸入互鎖保護

在獨立輸入模式下，可配置輸入互鎖保護，通過連接DHL和DLH引腳來激活或禁用該功能，提高功率級的魯棒性和可靠性。

欠壓鎖定和電源良好指示

器件具有欠壓鎖定（UVLO）功能，可保護內部調節器和VIN、BOOT電壓。電源良好（PGOOD）引腳可指示低側線性調節器是否進入欠壓鎖定狀態。

負SW電壓瞬態處理

雖然增強型GaN FET能夠反向導通，但在反向導通期間，SW引腳可能會出現負電壓瞬態。為了避免BOOT電壓過高，可在BOOT和SW之間使用外部齊納二極管進行鉗位。

布局建議

減小環路電感

將GaN FET盡可能靠近柵極驅動器放置，以減小整體環路電感，減少噪聲耦合問題。

優化自舉充電路徑

最小化自舉充電路徑的環路面積，確保自舉電容和二極管的布局能夠實現小環路面積。

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引腳放置，推薦使用低ESR、低ESL的陶瓷電容。

分離功率和信號走線

分離功率走線和信號走線，減少不同層信號的重疊。

縮短連接路徑

使用短而低電感的路徑連接PSW到高側FET源極，PGND到低側FET源極，以減少開關期間的負電壓瞬態。

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過度的振鈴。

總結

TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅動器憑借其卓越的抗輻射性能、強大的驅動能力、靈活的工作模式和快速的響應時間，為電子工程師在輻射環境下的高頻、高效電源轉換器設計提供了一個優秀的選擇。在設計過程中，我們需要根據具體應用需求，合理選擇電源供應、自舉電路組件、輸入輸出配置等，并遵循布局建議，以確保器件能夠發揮最佳性能。希望本文能夠對各位工程師在使用TPS7H60x5系列器件進行設計時有所幫助。大家在實際設計過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。