深入剖析LMG2656：650V 230mΩ GaN半橋的卓越性能與應用

在電源轉換領域，氮化鎵（GaN）技術憑借其卓越的性能正逐漸嶄露頭角。本文將詳細介紹德州儀器（TI）的LMG2656，一款集成了驅動器和電流感應仿真功能的650V 230mΩ GaN半橋，探討其特性、應用場景以及設計要點。

文件下載：lmg2656.pdf

特性亮點

強大的電氣性能

LMG2656集成了650V的GaN功率FET半橋，低側和高側的GaN FET導通電阻均為230mΩ，能夠有效降低導通損耗。其內(nèi)部的柵極驅動器具有低于100ns的低傳播延遲，能夠快速響應控制信號，提高開關速度。可編程的開通壓擺率控制功能，可以根據(jù)不同的應用需求調(diào)整開關速度，從而優(yōu)化電磁干擾（EMI）和振鈴現(xiàn)象。

高精度的電流感應仿真

集成的電流感應仿真功能具有高帶寬和高精度的特點，通過輸出低側GaN FET漏極電流的縮放副本，取代了傳統(tǒng)的電流感應電阻，降低了功耗，并允許將低側散熱焊盤直接連接到PCB電源地，提高了系統(tǒng)的熱性能。

豐富的保護功能

該芯片具備低側/高側逐周期過流保護和過溫保護功能，能夠在異常情況下及時保護芯片免受損壞。同時，低側/高側柵極驅動互鎖功能可以防止低側和高側GaN FET同時導通，避免短路故障。

多種控制方式與快速啟動

高側GaN FET可以通過低側參考的INH引腳或高側參考的GDH引腳進行控制，增強了與不同控制器的兼容性。智能開關的自舉二極管功能無二極管正向壓降，避免了高側電源過充電，且反向恢復電荷為零。高側啟動時間小于8μs，能夠快速響應系統(tǒng)需求。

低靜態(tài)電流與小封裝

AUX引腳在空閑和待機模式下的靜態(tài)電流分別為250μA和50μA，BST引腳空閑靜態(tài)電流為70μA，低靜態(tài)電流有助于提高系統(tǒng)在輕載時的效率。采用8mm × 6mm QFN封裝，帶有雙散熱焊盤，減小了PCB空間，提高了功率密度。

優(yōu)缺點分析

優(yōu)點

• 集成度高：將半橋功率FET、柵極驅動器、自舉FET和高側柵極驅動電平轉換器集成在一個6mm×8mm的QFN封裝中，簡化了設計，減少了元件數(shù)量和PCB空間。
• 性能優(yōu)越：低導通電阻、低傳播延遲和可編程的開通壓擺率控制，提高了開關效率和EMI性能。高帶寬和高精度的電流感應仿真功能，降低了功耗，提高了熱性能。
• 保護功能完善：具備過流保護、過溫保護、欠壓鎖定和柵極驅動互鎖等多種保護功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
• 兼容性強：高側GaN FET可以通過低側參考的INH引腳或高側參考的GDH引腳進行控制，適用于不同類型的控制器。
• 低靜態(tài)電流：AUX和BST引腳的低靜態(tài)電流，支持轉換器的突發(fā)模式操作，滿足政府輕載效率要求。

缺點

• 成本較高：GaN技術相對較新，制造成本較高，導致LMG2656的價格可能比傳統(tǒng)的硅基功率器件貴。
• 設計難度較大：由于GaN器件的高速開關特性，對PCB布局和布線要求較高，設計不當可能會導致EMI問題和信號完整性問題。
• 散熱要求高：雖然LMG2656采用了雙散熱焊盤設計，但由于其高功率密度，散熱仍然是一個挑戰(zhàn)，需要合理的散熱設計。

應用場景

AC/DC適配器和充電器

在AC/DC適配器和充電器中，LMG2656的高電壓額定值和低導通電阻能夠有效提高轉換效率，減少發(fā)熱。其快速開關速度和可編程的開通壓擺率控制功能，可以降低EMI，滿足相關標準要求。同時，低靜態(tài)電流和快速啟動時間支持充電器的輕載和突發(fā)模式操作，提高了系統(tǒng)的整體效率。

AC/DC輔助電源

在AC/DC輔助電源中，LMG2656可以提供穩(wěn)定的電源輸出，其集成的驅動器和保護功能可以簡化設計，提高系統(tǒng)的可靠性。高側柵極驅動電平轉換器和智能開關的自舉二極管功能，確保了高側GaN FET的可靠控制。

移動壁式充電器設計

對于移動壁式充電器，LMG2656的小封裝尺寸和高功率密度非常適合，能夠滿足充電器小型化的需求。其高精度的電流感應仿真功能可以實現(xiàn)精確的充電控制，保護電池安全。

USB壁式電源插座

在USB壁式電源插座中，LMG2656可以提供高效的電源轉換，支持多個USB端口的同時供電。其低EMI特性可以減少對其他設備的干擾，提高電源的質量。

設計要點

引腳配置與功能

LMG2656共有19個引腳，每個引腳都有特定的功能。在設計時，需要根據(jù)引腳的功能進行正確的連接。例如，INL和INH引腳用于控制低側和高側GaN FET的開關，EN引腳用于切換設備的工作模式。同時，要注意引腳的電壓和電流限制，避免超出芯片的額定值。

電源供應建議

LMG2656通過AUX引腳連接單個輸入電源，BST引腳由AUX引腳內(nèi)部供電。建議AUX外部電容采用陶瓷電容，且容量至少是BST - SW外部電容的三倍。AUX和BST引腳的輸入電壓范圍應在推薦的工作條件內(nèi)，以確保芯片的正常工作。

布局設計

焊點應力緩解

為了緩解大尺寸QFN封裝的焊點應力，需要遵循NC錨定引腳的使用說明，所有電路板焊盤應采用非阻焊定義（NSMD）方式，連接到NSMD焊盤的電路板走線寬度應小于焊盤寬度的2/3。

信號地連接

設計電源時，應將信號地和電源地分開，僅在一處連接。將LMG2656的AGND引腳連接到信號地，SL引腳和低側散熱焊盤連接到電源地，避免信號和電源地在電路板其他位置連接。

電流感應信號處理

由于電流感應信號的阻抗比傳統(tǒng)信號高三個數(shù)量級，容易受到噪聲干擾。因此，應盡量避免將電流感應信號靠近嘈雜的走線，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位置。

總結

LMG2656作為一款集成了驅動器和電流感應仿真功能的650V 230mΩ GaN半橋，具有眾多卓越的特性和廣泛的應用場景。在設計過程中，需要充分了解其引腳功能、電源供應要求和布局設計要點，以發(fā)揮其最佳性能。隨著GaN技術的不斷發(fā)展，LMG2656有望在電源轉換領域發(fā)揮更大的作用。你在使用LMG2656進行設計時，是否遇到過一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。