探索LMG3616：650-V 270-mΩ GaN FET集成驅動器的卓越性能

在電源轉換領域，不斷追求更高效率、更小尺寸和更優性能的過程中，氮化鎵（GaN）技術正逐漸嶄露頭角。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的LMG3616——一款集成了驅動器的650-V 270-mΩ GaN FET，看看它在開關模式電源應用中能帶來怎樣的驚喜。

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1. 產品特性：集高性能與多功能于一身

1.1 強大的GaN功率FET

LMG3616采用了650-V 270-mΩ的GaN功率FET，具備出色的耐壓和低導通電阻特性，能夠有效降低功率損耗，提高電源轉換效率。與傳統的硅FET相比，GaN FET的開關速度更快，輸出電容更小，這使得它在高頻開關應用中表現更為出色。

1.2 集成式柵極驅動器

集成的柵極驅動器具有低傳播延遲和可調節的導通壓擺率控制功能。可調節的導通壓擺率能夠根據實際應用需求進行靈活調整，從而有效控制電磁干擾（EMI）和振鈴現象，減少對周圍電路的干擾。同時，低傳播延遲確保了快速的開關響應，提高了系統的動態性能。

1.3 全面的保護功能

過溫保護功能是LMG3616的一大亮點，當芯片溫度超過設定閾值時，會通過FLT引腳發出故障信號，提醒系統采取相應的保護措施，避免芯片因過熱而損壞。此外，還具備欠壓鎖定（UVLO）功能，當電源電壓低于設定值時，會自動鎖定芯片，防止異常工作，提高系統的可靠性。

1.4 低靜態電流和寬電壓范圍

AUX引腳的靜態電流僅為55 μA，這使得LMG3616在輕載或待機模式下能夠消耗極低的功率，滿足電源轉換器對輕載效率的要求。同時，最大電源和輸入邏輯引腳電壓可達26 V，提供了更寬的電壓應用范圍。

1.5 緊湊的封裝設計

采用8 mm × 5.3 mm的QFN封裝，并帶有散熱墊，不僅減小了芯片的占用面積，還有助于提高散熱性能，確保芯片在高功率應用中能夠穩定工作。

2. 應用領域：廣泛適用于各類電源場景

LMG3616的高性能和多功能特性使其在多個電源應用領域都能大顯身手，例如：

• AC/DC適配器和充電器：能夠提高充電效率，減少發熱，實現快速充電功能。
• USB墻式電源插座：為移動設備提供高效、穩定的電源供應。
• 電視電源：滿足電視對高功率、高效率電源的需求，同時降低功耗。
• LED電源：確保LED燈的穩定發光，提高照明質量。

3. 產品描述：簡化設計，提升性能

LMG3616專為開關模式電源應用而設計，通過將GaN FET和柵極驅動器集成在一個緊湊的QFN封裝中，大大簡化了設計過程，減少了外部元件的數量，降低了設計成本和電路板空間。可編程的導通壓擺率為EMI和振鈴控制提供了有效的手段，工程師可以根據具體應用需求進行優化設置。此外，低靜態電流和快速啟動時間使得LMG3616能夠支持轉換器的輕載效率要求和突發模式操作，提高了系統的整體性能。

4. 引腳配置和功能：清晰明確，易于使用

4.1 主要引腳功能

4.2 特殊引腳說明

• IN引腳：具有典型的1-V輸入電壓閾值遲滯，可有效提高抗干擾能力。同時，帶有典型的400-kΩ下拉電阻，防止輸入浮空。
• RDRV引腳：通過設置與AGND之間的電阻值，可以將GaN FET的導通壓擺率編程為四個離散設置之一，實現不同的開關速度和性能。
• FLT引腳：僅在過溫保護觸發時發出故障信號，為系統提供了可靠的故障診斷手段。

5. 規格參數：明確性能邊界

5.1 絕對最大額定值

• 電壓方面：漏源電壓（VDS）最大值可達800 V（瞬態振鈴峰值電壓），AUX引腳電壓范圍為 -0.3 V至30 V，IN和FLT引腳電壓范圍為 -0.3 V至VAUX + 0.3 V。
• 電流方面：漏極連續電流（ID(cnts)）范圍為 -4 A至4 A，脈沖電流（ID(pulse)(oc)）可達10.7 A。
• 溫度方面：工作結溫范圍為 -40°C至150°C，存儲溫度范圍為 -40°C至150°C。

5.2 ESD額定值

人體模型（HBM）為 ±1000 V，充電設備模型（CDM）為 ±500 V，這表明LMG3616在靜電防護方面具有一定的能力，但在實際使用中仍需注意靜電保護措施。

5.3 推薦工作條件

• 電壓和電流：推薦AUX電壓范圍為10 V至26 V，IN引腳輸入電壓范圍為0 V至VAUX，漏極連續電流（ID(cnts)）范圍為 -3.2 A至3.2 A。
• 電容和電阻：AUX到AGND的外部旁路電容（CAUX）建議至少為0.030 μF，RDRV到AGND的電阻可根據不同的壓擺率設置進行選擇。

5.4 熱信息

結到環境的熱阻（RθJA）為27 °C/W，結到外殼（底部）的熱阻（RθJC(bot)）為2.13 °C/W，良好的熱性能有助于確保芯片在高功率應用中的穩定性。

5.5 電氣特性

• GaN功率FET：導通電阻（RDS(on)）在不同溫度和電流條件下有不同的表現，25°C時典型值為270 mΩ，125°C時為484 mΩ。
• 輸入引腳：IN引腳具有正、負輸入閾值電壓和閾值電壓遲滯，下拉輸入電阻和電流也有明確的規格。

5.6 開關特性

不同的導通壓擺率設置會影響GaN功率FET的開關時間，如導通延遲時間、關斷延遲時間和上升/下降時間等。例如，在最快壓擺率設置下，導通延遲時間可低至23 ns。

6. 參數測量信息：準確評估性能

6.1 GaN功率FET開關參數測量

通過雙脈沖測試電路來測量GaN功率FET的開關參數，該電路在升壓配置下工作，將低側的LMG3616作為被測設備（DUT），高側的LMG3616作為雙脈沖測試二極管。開關參數包括導通時的漏極電流延遲時間、導通延遲時間和上升時間，以及關斷時的延遲時間和下降時間等。這些參數的測量有助于工程師準確評估LMG3616的開關性能，為電路設計提供依據。

7. 詳細描述：深入了解工作原理

7.1 概述

LMG3616集成了GaN FET、柵極驅動器和保護功能，旨在為開關模式電源轉換器提供高效、可靠的解決方案。內部柵極驅動器能夠調節驅動電壓，優化GaN FET的導通電阻，同時降低總柵極電感和共源電感，提高開關性能和共模瞬態抗擾度（CMTI）。

7.2 功能框圖

從功能框圖可以看到，LMG3616主要由GaN FET、FET驅動器、故障監測器和FET控制檢測器等組成。各部分協同工作，實現對GaN FET的精確控制和保護。

7.3 特性描述

7.3.1 GaN功率FET開關能力

與硅FET不同，GaN FET的擊穿電壓遠高于銘牌漏源電壓。LMG3616的擊穿漏源電壓超過800 V，使其能夠在超出相同銘牌額定值的硅FET的條件下工作。通過開關周期的波形圖可以看出，LMG3616在正常工作和輸入電壓浪涌情況下都能保持穩定的性能。

7.3.2 導通壓擺率控制

通過RDRV引腳與AGND之間的電阻設置，可以將導通壓擺率編程為四個離散設置之一。不同的設置對應不同的導通速度和性能，工程師可以根據實際應用需求進行選擇，在電源效率和EMI/瞬態振鈴之間進行權衡。

7.3.3 輸入控制引腳（IN）

IN引腳用于控制GaN功率FET的導通和關斷，具有輸入電壓閾值遲滯和下拉電阻，可提高抗干擾能力。同時，AUX UVLO和過溫保護會獨立于IN邏輯狀態對其進行阻塞，確保系統的安全性。

7.3.4 AUX電源引腳

AUX引腳作為內部電路的輸入電源，具有電源復位和欠壓鎖定（UVLO）功能。電源復位可在AUX電壓低于設定值時禁用低側功能，UVLO可防止在電壓過低時GaN功率FET工作，避免異常情況發生。

7.3.5 過溫保護

當LMG3616的溫度超過過溫保護閾值時，會阻止GaN功率FET工作，并通過FLT引腳發出故障信號。過溫保護的遲滯特性可避免熱循環的不穩定，確保系統的可靠性。

7.3.6 故障報告

LMG3616僅報告過溫故障，當過溫保護觸發時，FLT引腳會拉低，提醒系統進行相應處理。

7.4 設備功能模式

在推薦工作條件下，LMG3616具有一種工作模式，能夠穩定、高效地運行。

8. 應用和實現：提供設計指導

8.1 應用信息

LMG3616使得GaN FET技術在開關模式電源應用中更容易實現。集成的柵極驅動器、低IN輸入閾值電壓和寬AUX輸入電源電壓使其能夠與常見的電源控制器無縫配合，工程師只需通過編程電阻設置所需的導通壓擺率即可。

8.2 典型應用

以140-W LLC轉換器應用為例，LMG3616與德州儀器的UCC25660 LLC控制器完美搭配，實現了高功率密度和高效率的電源轉換。該應用的設計要求包括輸入直流電壓范圍、輸出直流電壓、輸出額定電流、輸出電壓紋波和峰值效率等。在設計過程中，需要根據具體需求進行參數選擇和優化設置。

8.3 電源供應建議

LMG3616可通過連接到AUX引腳的單個輸入電源供電，推薦的AUX電壓范圍為10 V至26 V，與常見控制器的電源引腳導通和UVLO電壓限制重疊。同時，建議AUX外部電容采用至少0.03 μF的陶瓷電容，以確保電源的穩定性。

8.4 布局設計

8.4.1 布局指南

• 焊點應力緩解：遵循NC1、NC2和NC3錨定引腳的使用說明，采用非焊盤定義（NSMD）的電路板焊盤，并限制連接到NSMD焊盤的電路板走線寬度，以緩解大QFN封裝可能產生的焊點應力。
• 信號地連接：設計電源時采用獨立的信號地和功率地，并僅在一處連接。將LMG3616的AGND引腳連接到信號地，S引腳和PAD散熱墊連接到功率地，以減少干擾。

8.4.2 布局示例

提供了PCB頂層和底層的布局示例，為工程師進行實際設計提供了參考。

9. 設備和文檔支持：全方位保障設計順利進行

9.1 文檔支持

提供了相關的文檔資源，如UCC25660X設計計算器，可幫助工程師進行LLC轉換器的設計計算。

9.2 接收文檔更新通知

通過ti.com上的設備產品文件夾，點擊“Notifications”進行注冊，即可接收每周的產品信息更新摘要，及時了解產品的最新動態。

9.3 支持資源

TI E2E?支持論壇為工程師提供了一個獲取快速、準確答案和設計幫助的平臺，工程師可以在這里搜索現有答案或提出自己的問題，獲取專家的指導。

9.4 商標說明

TI E2E?是德州儀器的商標，所有商標均歸其各自所有者所有。

9.5 靜電放電注意事項

由于LMG3616是集成電路，容易受到靜電放電（ESD）的損壞，因此在處理和安裝時需要采取適當的預防措施，避免因ESD導致的性能下降或設備故障。

9.6 術語表

提供了TI術語表，對相關的術語、首字母縮寫詞和定義進行了解釋，幫助工程師更好地理解文檔內容。

10. 總結

LMG3616作為一款高性能的集成式GaN FET，憑借其出色的特性、廣泛的應用領域和詳細的設計指導，為電源工程師提供了一個優秀的解決方案。在追求更高效率、更小尺寸和更優性能的電源設計中，LMG3616無疑是一個值得考慮的選擇。你在使用類似的GaN FET產品時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。