LMG2650：650V 95mΩ GaN半橋集成驅動器的卓越之選

在電源管理和功率轉換領域，氮化鎵（GaN）技術正以其卓越的性能逐漸嶄露頭角。今天，我們就來深入探討一款由德州儀器（TI）推出的高性能產品——LMG2650，一款集成了驅動器和電流感應仿真功能的650V 95mΩ GaN半橋器件。

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1. 產品特性亮點

1.1 高集成度設計

LMG2650將半橋功率FET、柵極驅動器、自舉FET和高端柵極驅動電平轉換器集成在一個6mm×8mm的QFN封裝中。這種集成化設計大大簡化了電路板的設計，減少了元件數量和占用空間，同時也降低了設計的復雜度和成本。

1.2 出色的電氣性能

• 耐壓與低導通電阻：具備650V的額定電壓，能夠滿足離線電源開關應用中遇到的高電壓需求。同時，低側和高側GaN FET的導通電阻僅為95mΩ，有效降低了導通損耗，提高了功率轉換效率。
• 低傳播延遲的柵極驅動器：集成的柵極驅動器傳播延遲小于100ns，能夠實現快速的開關動作，提高了開關頻率，有助于減小磁性元件的尺寸，進一步提高系統的功率密度。
• 可編程的開通壓擺率控制：提供了可編程的開通壓擺率控制功能，通過設置RDRVL和RDRVH引腳的電阻，可以將低側和高側GaN FET的開通壓擺率分別編程為四種離散設置之一。這使得設計師可以根據具體應用需求，靈活調整壓擺率，以平衡功率損耗、開關引起的振鈴和電磁干擾（EMI）。

1.3 先進的保護功能

• 過流保護：支持低側和高側逐周期過流保護，當檢測到GaN FET的漏極電流超過過流閾值時，能夠迅速關閉相應的FET，避免器件因過流損壞。同時，在過流故障發生時，還能產生快速上升的模擬電流感應信號，防止控制器進入掛起狀態。
• 過溫保護：具備獨立的低側和高側過溫保護功能，當檢測到溫度超過設定的閾值時，會阻止相應的FET導通，避免因過熱導致器件性能下降或損壞。
• 欠壓鎖定（UVLO）：AUX和BST引腳均具備欠壓鎖定功能，當電源電壓低于設定的閾值時，會阻止相應的FET導通，確保器件在安全的電壓范圍內工作。

1.4 低靜態電流與快速啟動

• 低靜態電流：AUX和BST引腳在空閑和待機狀態下的靜態電流都非常低，分別為250μA和70μA（AUX待機時為50μA），這有助于降低系統在輕載或待機模式下的功耗，提高系統的整體效率。
• 快速啟動：高側啟動時間小于8μs，能夠快速響應系統的啟動需求，滿足一些對啟動時間要求較高的應用場景。

2. 引腳配置與功能詳解

2.1 引腳配置

2.2 引腳功能注意事項

• 輸入引腳：INH、INL、EN和GDH引腳都有正向偏置的ESD二極管連接到相應的電源引腳（AUX或BST），因此在使用時應避免將這些引腳的電壓驅動高于相應的電源電壓，以免損壞ESD二極管。
• 壓擺率編程引腳：RDRVL和RDRVH引腳用于編程低側和高側GaN FET的開通壓擺率，具體的電阻設置可以參考數據手冊中的推薦值。需要注意的是，壓擺率設置是在AUX或BST電源上電時一次性確定的。
• 電流感應引腳：CS引腳的電流感應仿真功能可以替代傳統的電流感應電阻，通過將CS引腳的輸出電流通過電阻轉換為電壓信號，提供給外部電源控制器。同時，CS引腳內部有典型值為2.5V的鉗位保護，防止過壓損壞控制器的電流感應輸入引腳。

3. 應用領域與典型電路

3.1 應用領域

LMG2650的高性能和高集成度使其適用于多種應用領域，包括：

• 移動壁式充電器設計：能夠滿足快速充電和高效功率轉換的需求，提高充電速度和效率。
• USB壁式電源插座：為USB設備提供穩定、高效的電源供應。
• AC/DC輔助電源：適用于各種電子設備的輔助電源模塊，提供可靠的電源支持。
• 電機驅動：其可編程的開通壓擺率和低靜態電流特性，使其在電機驅動應用中能夠有效降低EMI和功耗。

3.2 典型電路示例

3.2.1 LLC應用

詳細的設計過程需要根據具體的應用需求進行調整，包括選擇合適的磁性元件、電容和電阻等。同時，還需要注意電路板的布局和布線，以確保系統的性能和穩定性。

3.2.2 AHB應用

在AHB轉換器應用中，LMG2650可以與AHB控制器配合使用，實現高效的功率轉換和電壓調節。通過合理設計電路參數和布局，可以提高系統的性能和可靠性。

3.2.3 電機驅動應用

在電機驅動應用中，LMG2650可以用于控制電機的開關動作，實現電機的調速和控制。其超低的壓擺率設置能夠有效降低電機驅動過程中的EMI，提高系統的穩定性。

4. 設計與使用建議

4.1 電源供應

LMG2650通過AUX引腳連接單個輸入電源，BST引腳由AUX引腳內部供電。建議使用與電源控制器相同的電源管理和供應系統，AUX電壓范圍推薦為10V至26V，該范圍與常見控制器的供電引腳開啟和UVLO電壓限制重疊。同時，AUX外部電容建議使用陶瓷電容，其容量應至少為BST - SW電容的三倍。

4.2 電路板布局

4.2.1 焊點應力緩解

由于LMG2650采用較大的QFN封裝，可能會面臨較高的焊點應力。為了緩解焊點應力，需要遵循以下最佳實踐：

• 按照數據手冊中關于NC錨定引腳的說明進行操作。
• 所有電路板焊盤應采用非阻焊定義（NSMD）方式，可參考數據手冊中的焊盤圖案示例。
• 連接到NSMD焊盤的電路板走線，在連接焊盤一側的寬度應小于焊盤寬度的2/3，且在未被阻焊層覆蓋的部分應保持該寬度限制，被阻焊層覆蓋后則無寬度限制。

4.2.2 信號接地連接

為了減少電源供應中的噪聲干擾，建議設計獨立的信號地和功率地，并僅在一處連接。將LMG2650的AGND引腳連接到信號地，SL引腳和低側散熱焊盤連接到功率地，由于AGND、SL和低側散熱焊盤內部是相連的，因此LMG2650作為信號地和功率地的單點連接點，避免在電路板的其他位置連接信號地和功率地。

4.2.3 CS引腳信號處理

由于電流感應信號的阻抗比傳統電流感應信號高三個數量級，因此CS引腳信號更容易受到噪聲干擾。為了減少噪聲影響，應盡量避免將電流感應信號走線靠近任何嘈雜的走線，將電流感應電阻和濾波電容放置在靠近控制器電流感應輸入引腳的走線遠端。

5. 總結

LMG2650作為一款高性能的GaN半橋集成驅動器，憑借其高集成度、出色的電氣性能、先進的保護功能和低靜態電流等優點，為電源管理和功率轉換應用提供了一種優秀的解決方案。無論是在移動充電器、USB電源插座、AC/DC輔助電源還是電機驅動等領域，LMG2650都能夠發揮其卓越的性能，幫助工程師們設計出更高效、更緊湊的電源系統。在實際應用中，工程師們需要根據具體的應用需求，合理選擇電路參數和進行電路板布局，以充分發揮LMG2650的性能優勢。你在使用類似的GaN器件時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。