TPS7H60x5系列半橋GaN FET柵極驅動器：太空應用的理想之選

在電子工程領域，特別是太空應用中，對高性能、高可靠性的電子元件需求極高。德州儀器（TI）的TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅動器，憑借其卓越的性能和豐富的功能，成為了眾多工程師的首選。本文將深入探討該系列驅動器的特點、應用及設計要點。

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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，均采用56引腳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、大電流應用而設計，適用于太空衛星電源、電機驅動、反應輪等多種太空應用場景。

二、關鍵特性

2.1 輻射性能卓越

• 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，能夠在輻射環境下穩定工作。
• 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；SET和單粒子功能中斷（SEFI）特性表征也達到了LET = 75 MeV - cm2 / mg。

2.2 強大的驅動能力

• 高電流輸出：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。
• 快速響應：獨立輸入模式下典型傳播延遲為30ns，典型延遲匹配為5.5ns，確保了快速的開關響應。

2.3 靈活的工作模式

• 雙工作模式：提供單PWM輸入（可調節死區時間）和兩個獨立輸入兩種工作模式，滿足不同應用需求。
• 輸入互鎖保護：在獨立輸入模式下，可選擇輸入互鎖保護，防止上下橋臂同時導通，提高系統可靠性。

2.4 其他特性

• 可調節開關時間：采用分離輸出，可獨立調節導通和關斷時間。
• 低功耗：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）。

三、應用案例

3.1 太空衛星電源

在太空衛星電源系統中，TPS7H60x5系列驅動器可用于同步降壓轉換器，通過PWM模式生成主輸出和同步整流輸出，實現高效的功率轉換。同時，其輻射加固特性確保了在太空輻射環境下的可靠運行。

3.2 電機驅動

在電機驅動應用中，獨立輸入模式（IIM）可用于獨立控制低側和高側，實現精確的電機控制。輸入互鎖保護功能可防止電機驅動過程中的短路故障，提高系統的安全性。

四、設計要點

4.1 電源供應

• 輸入電壓：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：為高側驅動器供電的BOOT電壓應在8V至14V之間，需盡量減小自舉充電路徑上的電壓降，防止高側驅動器進入欠壓鎖定狀態。

4.2 自舉電路設計

• 自舉電容：自舉電容連接在BOOT和ASW之間，其值應至少為高側GaN FET柵極電容的10倍。可根據公式 (Q{total }=Q{g}+I{QBG} × frac{D{MAX}}{f{SW}}+frac{I{QHS}}{f_{SW}}) 計算所需的最小自舉電容值。
• 自舉二極管：自舉二極管需能承受功率級輸入電壓，具有低正向電壓降、低結電容和快速恢復時間。需滿足 (V{IN}-left(n × V{F}right) geq V_{BOOT_UVLO }) 條件，避免觸發BP5H調節器的欠壓鎖定。
• 自舉電阻：推薦使用至少2Ω的自舉電阻，以限制啟動時的峰值電流和控制BOOT端的壓擺率。

4.3 死區時間設置

在PWM模式下，需在DLH和DHL引腳連接到AGND的電阻來編程死區時間。可根據公式 (R{HL}=1.077× T{DHL}+1.812) 和 (R{LH}=1.077× T{DLH}+1.812) 計算所需的電阻值，以防止上下橋臂同時導通，同時最小化死區期間的損耗。

4.4 布局設計

• 元件布局：將GaN FET盡可能靠近柵極驅動器放置，減小整體環路電感和噪聲耦合。自舉電容和旁路電容應靠近相應引腳，且使用低ESR和低ESL的電容。
• 走線設計：分離電源走線和信號走線，避免不同層信號重疊。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。

五、總結

TPS7H60x5系列半橋GaN FET柵極驅動器以其卓越的輻射性能、強大的驅動能力和靈活的工作模式，為太空應用和其他對可靠性要求較高的應用提供了理想的解決方案。在設計過程中，工程師需根據具體應用需求，合理選擇元件參數和布局方式，以確保系統的性能和可靠性。你在使用該系列驅動器時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗。