德州儀器LMG2610：650V GaN半橋的卓越性能與應用解析

在當今的電源設計領域，高效、緊湊且可靠的電源解決方案需求日益增長。德州儀器（TI）的LMG2610作為一款集成650 - V GaN功率FET半橋，為有源鉗位反激（ACF）轉換器帶來了新的突破。本文將深入剖析LMG2610的特性、應用、技術細節以及設計要點，希望能為電子工程師們在實際設計中提供有價值的參考。

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一、產品概述

LMG2610專為開關模式電源應用中的＜75 - W有源鉗位反激（ACF）轉換器而設計。它通過將半橋功率FET、柵極驅動器、自舉二極管和高端柵極驅動電平轉換器集成在一個9 mm x 7 mm的QFN封裝中，簡化了設計，減少了元件數量和電路板空間。其不對稱的GaN FET電阻針對ACF工作條件進行了優化，可編程的導通壓擺率提供了對EMI和振鈴的有效控制。

二、關鍵特性解析

2.1 GaN功率FET性能

LMG2610采用了650 - V GaN功率FET半橋，其中低側FET的導通電阻為170 mΩ，高側FET為248 mΩ。這種不對稱的設計能更好地適應ACF的工作條件，充分利用GaN FET的總尺寸。與傳統的硅FET相比，GaN FET具有更高的擊穿電壓，LMG2610的GaN功率FET擊穿電壓超過800 V，使其能夠在超出相同標稱額定值的硅FET的條件下工作。

2.2 柵極驅動器與壓擺率控制

內部柵極驅動器可調節驅動電壓，以實現最佳的GaN功率FET導通電阻。同時，它還能減少總柵極電感和GaN FET共源電感，提高開關性能，包括共模瞬態抗擾度（CMTI）。低側和高側GaN FET的導通壓擺率可以分別編程為四個離散設置之一，為設計人員在功率損耗、開關引起的振鈴和EMI方面提供了更大的靈活性。

2.3 電流感測仿真

電流感測仿真功能在CS引腳輸出端產生低側漏極電流的縮放副本。CS引腳通過一個電阻連接到AGND，以創建到外部電源控制器的電流感測輸入信號。這種設計取代了傳統的與低側GaN FET源極串聯的電流感測電阻，顯著節省了功率和空間。而且，由于沒有與GaN源極串聯的電流感測電阻，低側GaN FET的散熱墊可以直接連接到PCB電源地，既提高了系統的熱性能，又增加了器件布線的靈活性。

2.4 高端柵極驅動電平轉換器

高端柵極驅動電平轉換器減少了敏感的高端柵極驅動路徑的電容耦合，與外部解決方案相比，具有更低的噪聲敏感性和更好的CMTI。與外部解決方案相比，它對器件靜態電流的影響最小，并且對器件啟動時間沒有影響。

2.5 自舉二極管功能

AUX和BST之間的自舉二極管功能通過智能開關的GaN自舉FET實現。與傳統的自舉二極管相比，開關式GaN自舉FET允許更完全地對BST - SW電容器充電，避免了BST - SW電容器過充電的問題，并且具有更低的電容和零反向恢復電荷，從而實現更高效的開關。

2.6 保護功能

LMG2610具備多種保護功能，包括低側/高側欠壓鎖定（UVLO）、低側/高側輸入柵極驅動互鎖、低側/高側逐周期電流限制和過溫保護。這些保護功能有助于確保轉換器在各種工作條件下的穩定性和可靠性。

三、應用領域

3.1 有源鉗位反激電源轉換器

LMG2610的特性使其非常適合用于有源鉗位反激電源轉換器，能夠提高轉換效率，減少開關損耗，實現零電壓開關（ZVS），從而滿足現代電源對高效、緊湊的要求。

3.2 AC/DC適配器和充電器

在AC/DC適配器和充電器中，LMG2610可以幫助實現更高的功率密度和更好的輕載效率，滿足快速充電和小型化的市場需求。

3.3 AC/DC USB壁式插座電源和輔助電源

對于AC/DC USB壁式插座電源和輔助電源，LMG2610的集成設計和低靜態電流特性有助于降低功耗，提高系統的整體性能。

四、典型應用案例 - 65 - W USB - PD充電器

4.1 設計要求

在65 - W USB - PD充電器的應用中，對輸入和輸出特性有明確的要求。輸入電壓范圍為90 - 264 V RMS，輸出電壓有20 V、15 V、9 V和5 V等多種設置，輸出電流根據不同的輸出電壓也有相應的額定值。同時，對輸出紋波電壓、滿載效率、平均效率等性能指標也有嚴格的要求。

4.2 詳細設計步驟

4.2.1 導通壓擺率設計

在正常的有源鉗位反激（ACF）操作中，高端功率開關在零電壓開關（ZVS）條件下工作，因此高端GaN功率FET應編程為盡可能快地導通，以最小化高端GaN功率FET的第三象限損耗。而低端功率開關根據負載條件在ZVS和非ZVS谷底開關下工作，為了最小化EMI和電路振鈴，同時不增加開關損耗，低端應編程為盡可能慢地導通。

4.2.2 電流感測設計

根據UCC28782高密度有源鉗位反激控制器數據手冊中的傳統電流感測電阻計算方法，結合LMG2610的電流感測仿真功能，計算出CS引腳的電阻值。同時，需要對ROPP電阻進行調整，以考慮CS電阻的顯著值。

五、電源供應建議

LMG2610通過連接到AUX引腳的單個輸入電源供電，BST引腳由AUX引腳內部供電。建議使用的AUX電壓范圍為10 - 26 V，與常見的控制器電源引腳導通和UVLO電壓限制重疊。BST - SW外部電容建議使用至少10 nF的陶瓷電容，AUX外部電容建議使用至少是BST - SW電容三倍的陶瓷電容。

六、布局設計要點

6.1 焊點應力緩解

對于大型QFN封裝，為了緩解焊點應力，需要遵循NC1、NC2和NC3錨定引腳的說明，所有電路板焊盤應為非阻焊定義（NSMD），連接到NSMD焊盤的電路板走線在連接焊盤側的寬度應小于焊盤寬度的2/3。

6.2 信號地連接

電源設計應采用單獨的信號地和電源地，僅在一處連接。將LMG2610的AGND引腳連接到信號地，SL引腳和PADL散熱墊連接到電源地。為了便于電路板調試，在未安裝LMG2610時，可以將AGND焊盤連接到PADL散熱墊。

6.3 CS引腳信號

由于電流感測信號的阻抗比傳統電流感測信號高三個數量級，因此應盡量減少電流感測信號靠近任何嘈雜的走線。將電流感測電阻和任何濾波電容放置在靠近控制器電流感測輸入引腳的走線末端。

七、總結

LMG2610作為一款集成度高、性能卓越的650 - V GaN半橋，為有源鉗位反激轉換器提供了全面的解決方案。其豐富的特性和保護功能使其在電源設計中具有很大的優勢，無論是在效率、尺寸還是可靠性方面都能滿足現代電源的需求。在實際設計中，工程師們需要根據具體的應用需求，合理選擇導通壓擺率、電流感測電阻等參數，并注意布局設計的要點，以充分發揮LMG2610的性能。希望本文能為電子工程師們在使用LMG2610進行電源設計時提供有益的參考。

大家在使用LMG2610的過程中遇到過哪些問題呢？或者對其應用還有哪些疑問，歡迎在評論區留言討論。