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

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，尤其是涉及到空間應(yīng)用等對(duì)可靠性和抗輻射性能要求極高的領(lǐng)域，一款性能卓越的柵極驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要。今天我們就來(lái)深入探討一下德州儀器（TI）的TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅(qū)動(dòng)器。

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一、產(chǎn)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(chǎn)品。它們均采用56引腳的HTSSOP塑料封裝，并且有QMLP和SEP兩種器件等級(jí)可供選擇。該系列驅(qū)動(dòng)器專為高頻、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)，具有30ns（典型值）的傳播延遲以及5.5ns（典型值）的高端到低端延遲匹配，能有效提升系統(tǒng)性能。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

（一）出色的抗輻射性能

這是該系列驅(qū)動(dòng)器的一大核心優(yōu)勢(shì)。它具備高達(dá)100krad(Si)的總電離劑量（TID）輻射加固保證（RHA）能力，能夠在輻射環(huán)境下穩(wěn)定工作。同時(shí)，對(duì)線性能量轉(zhuǎn)移（LET）為75 MeV - cm2 / mg的單事件瞬態(tài)（SET）、單事件燒毀（SEB）和單事件柵極破裂（SEGR）具有免疫能力，并且對(duì)LET高達(dá)75 MeV - cm2 / mg的單事件瞬態(tài)（SET）和單事件功能中斷（SEFI）進(jìn)行了特性表征。這使得它在空間衛(wèi)星等輻射環(huán)境惡劣的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

（二）強(qiáng)大的電流驅(qū)動(dòng)能力

該驅(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)電流，確保其快速、穩(wěn)定地開(kāi)關(guān)，從而提高整個(gè)功率轉(zhuǎn)換電路的效率和性能。

（三）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)模式和兩個(gè)獨(dú)立輸入模式。在單PWM輸入模式下，可通過(guò)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間來(lái)優(yōu)化電路性能；在獨(dú)立輸入模式下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高端和低端的獨(dú)立控制，還能選擇輸入互鎖保護(hù)功能，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和安全性。

（四）可調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)時(shí)間

采用分裂輸出設(shè)計(jì)，能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)GaN FET的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。通過(guò)在導(dǎo)通或關(guān)斷路徑上添加額外的阻抗，可以靈活調(diào)整開(kāi)關(guān)速度，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

（五）良好的延遲特性

在獨(dú)立輸入模式下，典型傳播延遲僅為30ns，且延遲匹配典型值為5.5ns。這種低延遲和精準(zhǔn)的延遲匹配特性有助于提高電路的開(kāi)關(guān)速度和同步性，減少開(kāi)關(guān)損耗和干擾。

（六）寬溫度范圍和封裝特性

產(chǎn)品適用于軍事溫度范圍（–55°C至125°C），能夠在極端溫度環(huán)境下正常工作。其塑料封裝經(jīng)過(guò)ASTM E595標(biāo)準(zhǔn)的脫氣測(cè)試，確保在真空環(huán)境下也能穩(wěn)定可靠。

三、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

（一）空間衛(wèi)星電源

在空間衛(wèi)星電源系統(tǒng)中，對(duì)電源的可靠性和抗輻射性能要求極高。TPS7H60x5系列驅(qū)動(dòng)器憑借其出色的抗輻射能力和高性能的驅(qū)動(dòng)特性，能夠?yàn)樾l(wèi)星電源提供穩(wěn)定、高效的驅(qū)動(dòng)，確保衛(wèi)星在太空輻射環(huán)境下正常運(yùn)行。

（二）電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，需要精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。該驅(qū)動(dòng)器的靈活工作模式和可調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)時(shí)間能夠滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的多樣化需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精準(zhǔn)控制，提高電機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

（三）反作用輪

反作用輪是衛(wèi)星姿態(tài)控制的關(guān)鍵部件，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的性能和可靠性要求嚴(yán)格。TPS7H60x5系列驅(qū)動(dòng)器能夠?yàn)榉醋饔幂喬峁┓€(wěn)定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，確保其精確地調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)，提高衛(wèi)星的姿態(tài)控制精度。

（四）通信和光學(xué)成像有效載荷

在通信和光學(xué)成像有效載荷中，對(duì)電源的穩(wěn)定性和高頻性能要求較高。該驅(qū)動(dòng)器的高頻特性和低延遲特性能夠滿足這些應(yīng)用的需求，為通信和成像設(shè)備提供穩(wěn)定、高效的電源支持，提高設(shè)備的性能和可靠性。

四、詳細(xì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）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)經(jīng)過(guò)良好的穩(wěn)壓和旁路處理，以確保最佳的電氣性能。BOOT電壓應(yīng)保持在8V至14V之間，要盡量減小自舉充電路徑上的電壓降，防止高端驅(qū)動(dòng)器意外進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)。在VIN和AGND引腳之間應(yīng)放置一個(gè)本地旁路電容，自舉電容應(yīng)放置在BOOT和ASW引腳之間，并且要盡可能靠近器件。建議使用低ESR、低ESL的陶瓷表面貼裝電容（如X7R或更好的材質(zhì)）。

（二）線性穩(wěn)壓器

驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部包含三個(gè)線性穩(wěn)壓器：BP5L、BP7L和BP5H。BP5L和BP7L位于低端，分別提供5V和7V的標(biāo)稱輸出電壓，用于為低端邏輯電路和驅(qū)動(dòng)器供電；BP5H位于高端，以BOOT電壓為輸入，為高端邏輯電路和外部FET提供5V的柵極電壓。每個(gè)穩(wěn)壓器的輸出端都需要連接一個(gè)至少1μF的電容，并且除了文檔中指定的位置外，不建議對(duì)這些穩(wěn)壓器進(jìn)行外部加載。

（三）自舉電路

自舉電路對(duì)于高端柵極驅(qū)動(dòng)器的正常工作至關(guān)重要。驅(qū)動(dòng)器提供了多種自舉電容充電方式，包括通過(guò)內(nèi)部自舉開(kāi)關(guān)充電、直接從VIN充電以及雙充電方式。在選擇自舉組件時(shí)，需要考慮多個(gè)因素。自舉電容的選擇應(yīng)遵循其值至少為高端GaN FET柵極電容的10倍的原則，并且要根據(jù)具體應(yīng)用計(jì)算其最小容量。自舉二極管應(yīng)選擇能夠承受輸入電壓、處理啟動(dòng)期間峰值瞬態(tài)電流、具有低正向電壓降、低結(jié)電容和快速恢復(fù)時(shí)間的器件。自舉電阻的作用是限制啟動(dòng)期間的峰值電流和控制BOOT端的壓擺率，建議使用至少2Ω的電阻。

（四）輸入和輸出

輸入引腳PWM_LI和EN_HI具有約200kΩ（典型值）的內(nèi)部下拉電阻，其功能根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的工作模式而有所不同。在PWM模式下，PWM_LI作為單PWM控制信號(hào)的輸入引腳，EN_HI作為驅(qū)動(dòng)器的使能引腳；在獨(dú)立輸入模式下，PWM_LI和EN_HI分別作為低端和高端的輸入引腳。輸入信號(hào)的電壓應(yīng)不超過(guò)14V，并且建議使用壓擺率大于2V/μs的輸入信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器的高端和低端均采用分裂輸出設(shè)計(jì)，分別為HOH、HOL和LOH、LOL。這些輸出能夠提供1.3A的源電流和2.5A的灌電流（典型值），并且可以通過(guò)在GaN器件的導(dǎo)通或關(guān)斷路徑上添加額外的阻抗來(lái)獨(dú)立調(diào)整開(kāi)關(guān)時(shí)間。

（五）死區(qū)時(shí)間

在PWM模式下，需要在DLH和DHL引腳連接電阻到AGND來(lái)編程死區(qū)時(shí)間。DHL電阻設(shè)置高端輸出（HO）關(guān)斷到低端（LO）輸出導(dǎo)通之間的死區(qū)時(shí)間，DLH電阻設(shè)置低端（LO）關(guān)斷到高端（HO）導(dǎo)通之間的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的選擇要謹(jǐn)慎，以防止高端和低端開(kāi)關(guān)之間的交叉導(dǎo)通，同時(shí)盡量減少這段時(shí)間內(nèi)的損耗。推薦使用公差為1%或更好的電阻。

（六）輸入互鎖保護(hù)

在獨(dú)立輸入模式下，驅(qū)動(dòng)器可以配置輸入互鎖保護(hù)功能。當(dāng)啟用互鎖保護(hù)時(shí)，將DHL連接到5V，DLH通過(guò)一個(gè)阻值在100kΩ至220kΩ之間的電阻連接到AGND。這種保護(hù)機(jī)制可以防止半橋配置中GaN FET的直通現(xiàn)象，提高功率級(jí)的魯棒性和可靠性。在保護(hù)啟用且兩個(gè)輸入均為邏輯高電平時(shí)，內(nèi)部邏輯會(huì)將兩個(gè)輸出關(guān)閉，直到其中一個(gè)輸入變?yōu)榈碗娖剑敵霾艜?huì)跟隨輸入邏輯。為了提高在噪聲環(huán)境中的魯棒性，可以在驅(qū)動(dòng)器的輸入端使用小濾波器。

（七）欠壓鎖定和電源良好指示

驅(qū)動(dòng)器對(duì)內(nèi)部穩(wěn)壓器以及VIN和BOOT電壓提供欠壓鎖定保護(hù)。當(dāng)任何一個(gè)低端線性穩(wěn)壓器或VIN的輸出電壓低于欠壓鎖定閾值時(shí)，PWM輸入將被忽略，以防止GaN FET部分導(dǎo)通。當(dāng)高端欠壓鎖定觸發(fā)時(shí)，只有高端輸出會(huì)被拉低。PGOOD引腳用于指示低端線性穩(wěn)壓器是否進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)。當(dāng)所有低端穩(wěn)壓器和VIN的電壓超過(guò)各自的上升欠壓鎖定閾值時(shí)，PGOOD引腳進(jìn)入邏輯高電平狀態(tài)；當(dāng)任何一個(gè)線性穩(wěn)壓器或VIN的電壓低于相應(yīng)的下降欠壓鎖定閾值時(shí)，PGOOD引腳保持或變?yōu)檫壿嫷碗娖健＝ㄗh在PGOOD引腳和BP5L之間連接一個(gè)10kΩ的上拉電阻。

（八）負(fù)SW電壓瞬變處理

雖然增強(qiáng)型GaN FET不像硅FET那樣具有體二極管，但由于其對(duì)稱的器件結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行反向傳導(dǎo)。在反向傳導(dǎo)期間，SW引腳可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓瞬變，這可能導(dǎo)致自舉電壓過(guò)高。為了避免這種情況，需要確保BOOT到SW的最大電壓差不超過(guò)絕對(duì)最大值16V。可以在BOOT和SW之間使用外部齊納二極管來(lái)鉗位自舉電壓，使其保持在可接受的范圍內(nèi)。

五、布局設(shè)計(jì)建議

（一）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。這樣可以將為GaN FET柵極充電和放電的峰值電流限制在印刷電路板上的最小物理區(qū)域內(nèi)，從而減少噪聲耦合問(wèn)題，提高電路的穩(wěn)定性和性能。

（二）優(yōu)化自舉充電路徑

由于自舉充電路徑可能包含高峰值電流，因此需要盡量減小其環(huán)路面積。根據(jù)所選的自舉充電方法，合理放置自舉電容和二極管，以確保充電過(guò)程的高效和穩(wěn)定。

（三）合理放置旁路電容

將所有旁路電容（如VIN到AGND、BP5L到AGND、BP5H到ASW、BOOT到ASW）盡可能靠近器件和相應(yīng)的引腳放置。建議使用低ESR和低ESL的電容，并且如果可能的話，將這些電容放置在印刷電路板與柵極驅(qū)動(dòng)器相同的一側(cè)，以提高旁路效果。

（四）分離電源和信號(hào)走線

在印刷電路板設(shè)計(jì)中，應(yīng)將電源走線和信號(hào)走線分開(kāi)，盡量減少不同層上信號(hào)的重疊。這樣可以避免電源噪聲對(duì)信號(hào)的干擾，提高電路的抗干擾能力。

（五）縮短連接路徑

使用短且低電感的路徑將PSW連接到高端FET源極，將PGND連接到低端FET源極，以減少開(kāi)關(guān)期間寄生電感對(duì)驅(qū)動(dòng)器的影響，防止出現(xiàn)過(guò)大的負(fù)電壓瞬變。

（六）加強(qiáng)去耦措施

為了防止輸入電源總線上出現(xiàn)過(guò)大的振鈴現(xiàn)象，需要在GaN FET附近放置低ESR電容，以提供良好的去耦效果，穩(wěn)定電源電壓。

六、總結(jié)

TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅(qū)動(dòng)器憑借其出色的抗輻射性能、強(qiáng)大的電流驅(qū)動(dòng)能力、靈活的工作模式和可調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，成為空間衛(wèi)星電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要充分考慮電源供應(yīng)、線性穩(wěn)壓器、自舉電路、輸入輸出、死區(qū)時(shí)間、輸入互鎖保護(hù)、欠壓鎖定等多個(gè)方面的因素，并遵循合理的布局設(shè)計(jì)建議，以充分發(fā)揮該驅(qū)動(dòng)器的性能優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出高效、可靠的功率轉(zhuǎn)換電路。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。