TI TPS7H60x3-SP：適用于太空應用的氮化鎵場效應晶體管柵極驅動器

引言

在電子工程師的設計領域中，尤其是涉及到太空應用時，對器件的性能、穩定性和抗輻射能力有著極高的要求。德州儀器（TI）的TPS7H60x3-SP系列輻射加固（RHA）氮化鎵（GaN）場效應晶體管（FET）柵極驅動器就是為滿足這些苛刻需求而設計的。該系列產品包括TPS7H6003-SP（額定200V）、TPS7H6013-SP（額定60V）和TPS7H6023-SP（額定22V），為高頻、高效應用提供了出色的解決方案。

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核心特性

輻射性能卓越

在太空環境中，輻射是影響電子器件性能和壽命的關鍵因素。TPS7H60x3-SP系列具有出色的輻射性能，能夠承受高達100krad(Si)的總電離劑量（TID）輻射。同時，它對單粒子鎖定（SEL）、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，在LET = 75 MeV - cm2/mg的條件下對單粒子瞬態（SET）和單粒子功能中斷（SEFI）也有良好的表現。這使得它能夠在太空輻射環境下穩定可靠地工作，大大提高了系統的整體可靠性。

強大的電流驅動能力

該系列驅動器具有1.3A的峰值源電流和2.5A的峰值灌電流，能夠為GaN FET提供足夠的驅動電流，確保其快速、穩定地開關，從而實現高效的功率轉換。

靈活的工作模式

• 單PWM輸入模式：具有可調節的死區時間，適合需要精確控制開關時間的應用場景。
• 雙獨立輸入模式：提供了更大的靈活性，可以獨立控制高側和低側的輸出。在雙獨立輸入模式下，還可以選擇輸入互鎖保護功能，防止上下橋臂同時導通，增強了系統的安全性。

快速的響應時間

在獨立輸入模式下，典型傳播延遲僅為30ns，并且具有5.5ns的典型延遲匹配，能夠實現快速、準確的開關控制，減少開關損耗，提高系統效率。

獨立的開關時間調節

采用了分離式輸出設計，可分別調整開啟和關閉時間，工程師可以根據具體應用需求優化驅動信號，提高系統性能。

應用領域廣泛

太空衛星電源系統

太空衛星對電源系統的可靠性和效率要求極高。TPS7H60x3-SP系列可以應用于衛星電源的各個模塊，如通信有效載荷、命令和數據處理單元、光學成像有效載荷以及衛星電力系統等，為衛星的穩定運行提供可靠的電源支持。

高頻、高效電源轉換器

由于其快速的開關速度和低損耗特性，該系列驅動器非常適合用于設計高頻、高效的電源轉換器，如同步降壓轉換器、全橋轉換器等，能夠提高電源的功率密度和效率。

技術細節剖析

輸入電壓與線性穩壓器

在穩態運行時，TPS7H60x3-SP的輸入電壓必須在10V至14V之間。該電壓為兩個低側線性穩壓器BP5L和BP7L提供輸入，同時還用于為外部高側自舉電容充電。為了獲得最佳性能，建議在VIN和AGND之間添加一個旁路電容，并且該電容應盡可能靠近柵極驅動器放置，通常其值至少是自舉電容值的十倍。

內部集成了三個線性穩壓器：BP5L、BP7L和BP5H。BP5L和BP7L位于低側，分別提供5V和7V的標稱輸出電壓。BP5L用于為低側邏輯電路和低側柵極驅動電壓供電，其精度為5V ± 3.5%，以確保為GaN FET提供合適的驅動電壓。BP7L則為驅動器內的低側發射器供電。在高側，BOOT引腳的電壓作為高側線性穩壓器BP5H的輸入，該穩壓器為高側邏輯電路供電，并為外部FET提供5V ± 3.5%的高側柵極電壓。每個線性穩壓器的輸出引腳都需要連接一個至少1μF的電容，以確保穩定的輸出。

自舉電路設計

為了在半橋配置中為高側柵極驅動器電路提供電源，TPS7H60x3-SP需要使用自舉電路。自舉電容的選擇對于柵極驅動器的正常運行至關重要，一般建議其值至少是高側GaN FET柵極電容的10倍。自舉電容的充電方式有多種選擇：

• 通過內部自舉開關充電：內部自舉開關連接在VIN和BST引腳之間，外部自舉二極管連接在BST（陽極）和BOOT（陰極）之間。只有當低側驅動器輸出導通時，自舉開關才會導通，這樣可以減少自舉電容上的最大電壓。內部自舉開關具有1kΩ的并聯電阻，在啟動前可以緩慢充電自舉電容。
• 直接從VIN充電：這是半橋驅動器常用的充電方法，對于低側FET不能立即導通的情況尤為有用。例如，在使用TPS7H60x3-SP與TPS7H500x-SP系列中的某些控制器時，由于同步整流輸出在軟啟動期間被禁用，自舉電容無法通過內部自舉開關充電，此時可以選擇直接從VIN充電。為了防止自舉電容過充，可以在自舉電容串聯一個電阻、并聯一個齊納二極管或兩者結合使用。
• 雙充電模式：結合了自舉開關和直接從VIN充電的方法，既可以避免啟動時由于低側FET未導通而導致的自舉充電問題，又可以利用內部開關在正常運行時降低自舉電壓。但這種模式需要額外的元件，增加了成本和電路板空間。

死區時間設置

在PWM模式下，需要在DLH和DHL引腳連接到AGND的電阻來設置死區時間。DHL引腳的電阻設置高側輸出（HO）關斷到低側（LO）輸出導通之間的死區時間，DLH引腳的電阻設置低側（LO）關斷到高側（HO）導通之間的死區時間。通過合理選擇電阻值，可以在5ns至100ns的范圍內設置死區時間，以防止上下橋臂同時導通，減少開關損耗。

輸入互鎖保護

在獨立輸入模式下，TPS7H60x3-SP可以配置輸入互鎖保護功能。要啟用該功能，需要將DHL連接到BP5L，同時在DLH和AGND之間連接一個阻值在100kΩ至220kΩ之間的電阻。該功能可以防止半橋配置中的GaN FET發生直通現象，提高功率級的穩健性和可靠性。當兩個輸入都為邏輯高電平時，內部邏輯會將兩個輸出都關閉，直到其中一個輸入變為低電平，輸出才會跟隨輸入邏輯變化。

欠壓鎖定和電源良好指示

TPS7H60x3-SP在BP5L、BP7L、BP5H、BOOT和VIN上都具有欠壓鎖定（UVLO）功能。當任何一個低側線性穩壓器或VIN的輸出電壓低于UVLO閾值時，PWM輸入將被忽略，以防止GaN FET部分導通。此時，UVLO會主動將LO和HO拉低。當低側穩壓器和VIN都高于各自的UVLO閾值，但高側UVLO之一被觸發時，只有HO會被拉低。

此外，該驅動器還有一個電源良好（PGOOD）引腳，用于指示任何低側線性穩壓器是否進入欠壓鎖定狀態。當所有低側穩壓器和VIN都超過各自的上升UVLO閾值時，PGOOD引腳進入邏輯高電平狀態；如果其中任何一個線性穩壓器或VIN低于相應的下降UVLO閾值，PGOOD引腳將變為或保持邏輯低電平。建議在PGOOD和BP5L之間連接一個10kΩ的上拉電阻。

典型應用案例

以一個高電壓同步降壓轉換器為例，詳細介紹TPS7H6003-SP的應用設計。

設計要求

• 功率級輸入電源電壓：100V
• 輸出電壓：28V
• 輸出電流：10A
• 開關頻率：500kHz
• 柵極驅動器輸入電壓：12V
• 占空比：標稱28%，最大約35%
• 電感：15μH
• GaN FET：EPC2307（僅用于評估）
• 工作模式：PWM

詳細設計步驟

自舉和旁路電容選擇

自舉電容需要在正常運行期間保持電壓高于BOOT UVLO下降閾值。首先計算自舉電容上的最大允許電壓降?VBOOT： [?VBOOT ≈ VIN - (n × VF) - VBOOT_UVLO = 12V - (1 × 0.9V) - 6.65V = 4.35V] 為了留出足夠的余量并考慮到自舉電阻上的額外電壓降和負載瞬變，選擇?VBOOT為1.5V進行電容計算。 先計算總電荷量Qtotal： [Qtotal = Qg + IQBG × (DMAX / fSW) + (IQHS / fSW) = 10.6nC + 20μA × (0.35 / 500kHz) + (4mA / 500kHz) = 18.6nC] 再計算自舉電容值CBOOT： [CBOOT ≥ Qtotal / ?VBOOT = 18.6nC / 1.5V = 12.4nF] 考慮到電容隨溫度和施加電壓的變化以及可能的負載瞬變影響，選擇100nF的X7R電容。

VIN電容需要大于自舉電容，一般建議至少是自舉電容值的十倍，因此選擇2.2μF和1μF的陶瓷X7R電容。同時，BP5H、BP5L和BP7L輸出端也應選擇高質量的1μF X7R陶瓷電容，并盡可能靠近相應引腳放置。

自舉二極管選擇

自舉二極管需要有足夠的耐壓能力，以阻擋同步降壓應用中功率轉換器的功率級輸入電壓。當功率級輸入電壓較高時，可能需要串聯多個二極管。此外，二極管還需要能夠承受柵極驅動器啟動期間的峰值電流，并且具有低正向電壓降、低結電容和快速恢復時間。對于該評估設置，選擇了一個150V、1A額定的肖特基二極管，其結電容為110pF。

防止BP5x過沖和欠沖

盡管TPS7H6003-SP內部有高側和低側線性穩壓器（BP5H和BP5L）來提供穩定的柵極驅動電壓，但PCB布局和GaN FET的寄生電感和電容可能會導致開關期間柵極驅動波形出現瞬態振鈴。這種振鈴可能會導致電壓峰值超過所選GaN FET的絕對最大VGS額定值，或者在關斷期間違反最小VGS額定值。為了減輕振蕩幅度并避免過度振鈴，驅動器應盡可能靠近被驅動的GaN FET放置，并且可以使用柵極電阻。在該設計中，選擇2Ω的電阻用于開啟和關斷柵極路徑。

柵極電阻選擇

TPS7H6003-SP的分離式輸出允許在GaN FET的柵極開啟和關斷路徑中串聯電阻。這些柵極電阻可以抑制由寄生電容和電感引起的器件柵極振鈴，同時也可以調整驅動器的驅動強度。通過計算可以得到高側和低側的峰值源電流和灌電流：

• 高側峰值源電流[IOHH ≈ 1.3A]
• 高側峰值灌電流[IOLH = 2.0A]
• 低側峰值源電流和灌電流與高側相同。

死區時間電阻計算

在PWM模式下，需要設置兩個獨立的死區時間：LO關斷到HO導通之間的死區時間TDLH和HO關斷到LO導通之間的死區時間TDHL。對于該應用，目標死區時間約為25ns。根據公式計算得到RHL和RLH的值：

• (RHL = 1.077 × T_{DHL} + 1.812 = (1.077 × 25ns) + 1.812 = 28.74kΩ)
• (RLH = 1.064 × T_{DLH} - 0.630 = (1.064 × 25ns) - 0.630 = 25.97kΩ) 實際使用中選擇30kΩ的電阻用于RHL和RLH。

柵極驅動器損耗計算

柵極驅動器的功率損耗包括靜態功率損耗、泄漏電流功率損耗和GaN FET柵極充電和放電損耗等。通過相關公式計算得到該設計中的各種損耗值，最終總驅動損耗為11mW，同時考慮到驅動器自身的工作電流消耗，總功耗約為122mW。

應用曲線分析

通過實際測試得到的100V、500kHz開關節點信號和500kHz柵極驅動器輸出信號曲線，可以直觀地觀察到TPS7H6003-SP在該應用中的性能表現，驗證了設計的合理性和有效性。

電源供應與布局建議

電源供應

TPS7H60x3-SP的推薦偏置電源電壓范圍為10V至14V，輸入電壓應經過良好的調節和適當的旁路，以獲得最佳電氣性能。BOOT電壓應在8V至14V之間，并且要盡量減少自舉充電路徑上的電壓降，以防止高側驅動器在正常運行期間意外進入欠壓鎖定狀態。建議在VIN和AGND引腳之間放置一個本地旁路電容，在BOOT和ASW引腳之間放置自舉電容，并且這些電容應盡可能靠近器件。同時，推薦使用低ESR、低ESL的陶瓷表面貼裝電容（如X7R或更好的型號）。

布局設計

由于增強型GaN FET的小柵極電容和米勒電容使其能夠實現快速開關速度，但同時也帶來了高dv/dt和di/dt以及低柵極閾值電壓和有限的柵極電壓裕量等問題，因此電路布局對于實現最佳性能至關重要。以下是一些布局建議：

• 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，并通過將為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域內，減少噪聲耦合問題。
• 優化自舉充電路徑：自舉充電路徑可能包含高峰值電流，因此應盡量減小其環路面積。根據所選的充電方法，合理放置自舉電容和二極管。
• 合理放置旁路電容：所有旁路電容（如VIN到AGND、BP5L到AGND、BP5H到ASW、BOOT到ASW）應盡可能靠近器件和相應引腳放置。建議使用低ESR和ESL的電容，并盡量將它們放在與柵極驅動器相同的印刷電路板一側。
• 分離電源和信號走線：將電源走線和信號走線分開，并盡量減少不同印刷電路板層上信號的重疊，以減少干擾。
• 減少寄生電感影響：高側FET和低側FET源極串聯的寄生電感可能會在開關期間對驅動器施加過大的負電壓瞬變。因此，應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。
• 防止輸入電源總線振鈴：為了防止輸入電源總線上出現過度振鈴，需要在GaN FET附近放置低ESR電容進行去耦。

總結

TI的TPS7H60x3-SP系列輻射加固GaN FET柵極驅動器憑借其卓越的輻射性能、強大的電流驅動能力、靈活的工作模式和快速的響應時間，為太空應用和高頻、高效電源轉換器設計提供了理想的解決方案。在實際應用中，通過合理選擇和設計相關的外部元件，如自舉電容、二極管、柵極電阻和死區時間電阻等，并遵循正確的電源供應和布局原則，可以充分發揮該系列驅動器的性能優勢，實現可靠、高效的系統設計。對于電子工程師來說，深入了解和掌握TPS7H60x3-SP的特性和應用方法，將有助于在復雜的電子設計領域中取得更好的成果。你在使用類似柵極驅動器的過程中遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。