深入了解LMG1020：高性能低側GaN和MOSFET驅動器

在電子設計領域，對于高速應用的需求不斷增長，高性能的驅動器至關重要。今天，我們來詳細探討一下德州儀器（TI）的LMG1020驅動器，看看它在高速應用場景中能發揮怎樣的作用。

文件下載：lmg1020.pdf

一、產品概述

LMG1020是一款專為氮化鎵（GaN）場效應晶體管（FET）和邏輯電平MOSFET設計的單通道、低側驅動器，適用于高速應用，如激光雷達（LiDAR）、飛行時間（ToF）激光驅動器、面部識別、E類無線充電器、甚高頻（VHF）諧振功率轉換器、基于GaN的同步整流器以及增強現實等領域。

二、關鍵特性

超高速性能

• 極短脈沖寬度：最小輸入脈沖寬度可達1ns，能夠滿足高速脈沖應用的需求。
• 高頻操作：支持高達60MHz的工作頻率，適用于高頻開關應用。
• 快速傳播延遲：典型傳播延遲為2.5ns，最大為4.5ns，確保信號能夠快速準確地傳輸。
• 快速上升和下降時間：典型上升和下降時間為400ps，有助于實現快速開關轉換。

高驅動能力

• 強大的峰值電流：具有7A的峰值源電流和5A的峰值灌電流，能夠提供足夠的驅動能力來快速切換功率FET。

電源與保護

• 低電源電壓：采用5V電源供電，降低功耗。
• 欠壓鎖定（UVLO）和過溫保護（OTP）：在過載或故障條件下，UVLO可確保設備在電源電壓過低時不會誤操作，OTP則可在芯片溫度過高時自動關閉，保護設備安全。

緊湊封裝

• WCSP封裝：采用0.8mm × 1.2mm的晶圓級芯片尺寸封裝（WCSP），可減少柵極回路電感，提高高頻應用中的功率密度。

三、規格參數

絕對最大額定值

• 電源電壓（VDD）：最大值為5.75V。
• 輸入引腳電壓（VIN）：范圍為 -0.3V至VDD + 0.3V。
• 輸出引腳電壓（VOUT）：范圍為 -0.3V至5.75V。
• 存儲溫度（TSTG）：-55°C至150°C。
• 工作溫度（TJ）：-40°C至150°C。

ESD額定值

• 人體模型（HBM）：±2000V。
• 帶電設備模型（CDM）：±500V。

推薦工作條件

• 電源電壓（VDD）：4.75V至5.4V。
• 輸入電壓（VINx）：0V至VDD。
• 工作溫度（TJ）：-40°C至125°C。

四、功能模塊解析

輸入級

輸入級采用了施密特觸發器，可降低輸入噪聲靈敏度。IN+和IN–信號分別通過下拉和上拉電阻連接，防止意外導通。兩者信號經過與門處理，輸出信號跟隨IN+和IN–的差值。需要注意的是，IN+和IN–為單端輸入，不能作為差分輸入對使用。

輸出級

LMG1020提供7A源電流和5A灌電流的不對稱驅動能力，采用分離輸出配置。OUTH和OUTL輸出允許用戶通過連接獨立的電阻來分別調整導通和關斷驅動強度，從而控制壓擺率、電磁干擾（EMI）以及柵極信號的振鈴。對于GaN FET，控制振鈴對于降低其應力和驅動器的負擔非常重要。在欠壓條件下，OUTL會被拉低，防止設備Ciss意外充電。

電源與欠壓鎖定

LMG1020的標稱電源電壓為5V，最大為5.25V，絕對最大電源電壓為5.75V。設計時建議將電源變化限制在5%以內（0.25V），并確保開關瞬態期間的過沖電壓不超過絕對最大電壓。內部欠壓鎖定（UVLO）功能可在故障條件下保護驅動器和電路，UVLO點設置在4.1V至4.2V之間，具有85mV的遲滯。在UVLO條件下，OUTL會被拉低至地。

過溫保護（OTP）

當芯片溫度上升到約170°C時，OTP功能觸發，具有20°C的遲滯。當結溫降至150°C以下時，設備可恢復正常工作。

五、應用與設計要點

應用領域

LMG1020可用于多種高速開關應用，如激光雷達、飛行時間測量、面部識別、無線充電、同步整流等。它還可作為高頻低電流激光二極管驅動器或具有快速上升/下降時間的信號緩沖器。

典型應用電路

在典型應用中，LMG1020與單個低側、接地參考的GaN或邏輯電平Si FET配合使用。通過獨立的柵極驅動電阻R1和R2，可分別控制導通和關斷驅動強度。為避免電感振鈴導致的電壓過應力，TI建議在OUTH和OUTL引腳至少使用2Ω的電阻，并且振鈴過沖不得超過最大絕對電源電壓。

設計注意事項

布局優化

• 多層板設計：使用四層或更高層數的電路板，以減少布局的寄生電感。
• 緊湊布局：將LMG1020盡可能靠近GaN FET放置，使用大尺寸走線來減小電阻和寄生電感。
• 接地連接：將源極返回路徑設置在PCB的第二層，緊挨著元件層。通過過孔將FET源極和LMG1020的GND引腳與該平面連接，以最小化公共源極電感。
• 旁路電容：在LMG1020的VDD引腳和地之間立即連接旁路電容，電容值至少為0.1μF，最高可達1μF，溫度系數為X7R或更好。推薦使用低電感芯片電容（LICC）、叉指電容（IDC）、穿心電容和LGA等類型。

電源推薦

在FET導通期間，為支持從VDD汲取的高峰值電流，必須在IC附近的VDD和GND引腳之間連接一個低等效串聯電阻（ESR）/等效串聯電感（ESL）的陶瓷電容。建議使用三端電容以實現最低的ESL和最佳的瞬態性能，并可配合一個較大容量的電容來提供足夠的電荷。

處理地彈問題

在高速開關應用中，地彈問題可能導致輸入邏輯錯誤。可通過以下方法解決：

• 利用輸入滯回：LMG1020的輸入緩沖器內置滯回功能，可幫助抵消地彈影響。但對于高電流壓擺率的應用，此方法可能不夠有效。
• 使用反相輸入：將PWM信號連接到IN–輸入，同時將IN+連接到VDD，可增強PWM信號的穩定性，但可能會增加輸入引腳的應力。可在IN–輸入前放置一個100Ω的限流電阻。
• R - C濾波器：對于中等地彈情況，可在輸入串聯一個簡單的電阻，利用LMG1020的輸入電容形成R - C濾波器。在輸入添加一個小電容也可起到輔助作用。
• 共模扼流圈：對于極端地彈情況或對延遲要求嚴格的應用，使用共模扼流圈可獲得最佳效果。

納秒脈沖生成

LMG1020可用于在電容負載上驅動納秒級脈沖。可通過將數字信號及其延遲版本分別應用于IN+和IN–來生成脈沖，脈沖寬度對應于兩個信號之間的延遲。

六、總結

LMG1020以其超高速性能、高驅動能力、完善的保護功能和緊湊的封裝，為高速開關應用提供了優秀的解決方案。在設計過程中，我們需要充分考慮布局優化、電源穩定性和地彈等問題，以確保設備的性能和可靠性。你在使用類似驅動器時遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗。