探索LMG3622：GaN FET在電源設計中的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，尋找高性能、高集成度的電源管理解決方案是一項持續的挑戰。今天，我們要深入探討的是德州儀器（TI）的LMG3622，一款具有700V耐壓、106mΩ導通電阻的氮化鎵（GaN）場效應晶體管（FET），它集成了驅動器和電流感應仿真功能，為開關電源應用帶來了新的可能性。

文件下載：lmg3622.pdf

一、LMG3622的關鍵特性

1. 高耐壓與低導通電阻

LMG3622采用700V GaN FET，能夠承受高電壓，適用于離線電源開關應用。其低導通電阻（典型值106mΩ）有效降低了傳導損耗，提高了電源效率。而且，隨著溫度升高，導通電阻的變化相對較小，確保了在不同工作條件下的穩定性。從數據手冊中的“Normalized On-Resistance vs Junction Temperature”圖可以看到，在-40°C至140°C的溫度范圍內，導通電阻的變化幅度是可預測的，這為工程師在設計熱管理方案時提供了便利。

2. 集成驅動器和電流感應仿真

集成的門極驅動器具有低傳播延遲和可調的開通壓擺率控制功能。通過調節RDRV引腳與AGND之間的電阻，可以將GaN FET的開通壓擺率編程為四個離散設置之一。這一特性為工程師在設計中提供了靈活性，可以根據具體應用需求平衡功率損耗、開關引起的振鈴和電磁干擾（EMI）。例如，在對EMI要求較高的應用中，可以選擇較慢的開通壓擺率；而在追求高開關速度的場景下，則可以選擇較快的設置。 電流感應仿真功能則通過在CS引腳輸出GaN FET漏極電流的縮放副本，取代了傳統的電流感應電阻。這不僅節省了功率和空間，還允許將低側散熱焊盤直接連接到PCB電源地，提高了系統的熱性能和布線靈活性。

3. 全面的保護功能

LMG3622具備多種保護功能，包括欠壓鎖定（UVLO）、逐周期過流保護和過溫保護。欠壓鎖定功能確保當AUX電壓低于設定閾值時，GaN FET不會開啟，避免了在低電壓下的異常工作。逐周期過流保護能夠在每個IN邏輯高電平周期內監測GaN FET的漏極電流，一旦超過過流閾值，立即關閉GaN FET，減少了系統故障的風險。過溫保護則在芯片溫度過高時，通過FLT引腳報告故障并關閉GaN FET，防止芯片因過熱而損壞。

4. 低靜態電流

AUX引腳的靜態電流非常低，正常工作時為240μA，待機模式下可降至50μA。這種低靜態電流特性使得LMG3622非常適合需要滿足政府輕載效率要求的應用，如移動充電器和輔助電源等。

二、LMG3622的引腳配置與功能

LMG3622采用8mm × 5.3mm的QFN封裝，具有38個引腳。每個引腳都有其特定的功能，以下是幾個關鍵引腳的介紹：

• EN引腳：用于在活躍模式和待機模式之間切換。當EN引腳為邏輯高電平時，設備處于活躍模式，此時功率FET由IN引腳控制；當EN引腳為邏輯低電平時，設備進入待機模式，IN引腳被忽略，GaN FET關閉，AUX靜態電流降低。
• IN引腳：用于控制GaN FET的開啟和關閉。它具有高輸入阻抗、低輸入閾值電壓和最大輸入電壓等于AUX電壓的特點，能夠支持低電壓和高電壓輸入信號，并且可以由低功率輸出驅動。
• CS引腳：電流感應仿真輸出引腳。通過在該引腳連接一個電阻到AGND，可以創建一個電流感應電壓信號，作為外部電源控制器的輸入。
• AUX引腳：內部電路的輸入電源引腳。需要在AUX和AGND之間連接一個本地旁路電容，以提供穩定的電源。

三、應用場景與設計要點

1. 應用場景

LMG3622適用于多種開關電源應用，如AC/DC適配器和充電器、移動壁式充電器設計、USB壁式電源插座、輔助電源、電視用開關電源（SMPS）和LED電源等。其集成的特性和高性能使得它能夠簡化設計并減少元件數量，提高系統的可靠性和效率。

2. 設計要點

開通壓擺率設計

在設計過程中，開通壓擺率的選擇是一個重要的考慮因素。較慢的開通壓擺率可以減少EMI和振鈴問題，但可能會增加開關損耗；而較快的開通壓擺率則相反。在準諧振反激式轉換器應用中，由于開關在零變壓器電流時進行谷值開關，理論上沒有開關交叉損耗，只有開關節點電容損耗。因此，開通壓擺率的選擇需要綜合考慮準諧振控制器對開關開通延遲的補償能力。如果控制器能夠補償開關開通延遲，那么可以選擇最慢的開通壓擺率設置；否則，需要在開關噪聲問題和開關損耗之間進行優化設計。

電流感應設計

電流感應電阻(R{CS1})的計算需要先進行傳統電流感應電阻的設計計算(R{CS(trad)})，然后乘以電流感應仿真的逆增益。由于(R{CS1})的值通常比傳統電流感應電阻大得多，因此在設計時需要注意其對電路的影響。如果使用了(R{CS2})，需要確保其設計計算考慮到(R_{CS1})的顯著值。

電源推薦

LMG3622由連接到AUX引腳的單個輸入電源供電，其推薦的AUX電壓范圍為10V至26V，與常見的電源控制器供電引腳的開啟和UVLO電壓限制重疊。因此，可以使用與電源控制器相同的電源進行供電，方便了設計。同時，建議在AUX引腳上連接至少0.03μF的陶瓷電容，以提供穩定的電源。

布局設計

在PCB布局方面，需要注意以下幾點：

• 焊點應力釋放：遵循NC1、NC2和NC3錨定引腳的焊接說明，使用非阻焊定義（NSMD）的焊盤，并確保連接到NSMD焊盤的板跡線寬度小于焊盤寬度的三分之二，直到跡線被阻焊層覆蓋。
• 信號地連接：設計電源時應使用獨立的信號地和電源地，并僅在一處連接。將LMG3622的AGND引腳連接到信號地，S引腳和PAD散熱焊盤連接到電源地，以實現信號地和電源地的單點連接。
• CS引腳信號：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，因此需要盡量避免將其路由到靠近任何嘈雜的跡線，并將電流感應電阻和任何濾波電容放置在跡線的遠端，靠近控制器的電流感應輸入引腳。

四、總結

LMG3622憑借其高耐壓、低導通電阻、集成的驅動器和電流感應仿真功能以及全面的保護特性，成為開關電源應用中的理想選擇。電子工程師在使用LMG3622進行設計時，需要充分考慮其特性和設計要點，特別是開通壓擺率的選擇、電流感應電阻的計算、電源的選擇和PCB布局等方面，以實現最佳的性能和可靠性。希望本文能夠為工程師們在使用LMG3622進行設計時提供有價值的參考。你在實際應用中是否使用過LMG3622呢？遇到過哪些問題或者有什么獨特的設計經驗，歡迎在評論區分享！