TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅(qū)動器深度解析

在電子工程師的設計生涯中，為特定應用選擇合適的器件至關重要。對于那些需要在輻射環(huán)境下工作的高頻、高效電源轉(zhuǎn)換器設計，德州儀器（TI）的TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅(qū)動器是一個值得深入研究的選擇。今天，我們就來詳細探討一下這款器件的特性、應用以及設計要點。

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器件概述

TPS7H60x5系列包括TPS7H6005（200V額定值）、TPS7H6015（60V額定值）和TPS7H6025（22V額定值）三款器件。它們采用56引腳的HTSSOP封裝，有QMLP和SEP兩種器件等級可供選擇。該系列驅(qū)動器專為高頻、高效和大電流應用而設計，可用于基于GaN的功率轉(zhuǎn)換器設計。

特性亮點

輻射性能卓越

在輻射環(huán)境中，器件的可靠性至關重要。TPS7H60x5系列具有出色的抗輻射性能，輻射加固保證（RHA）高達總電離劑量（TID）100krad(Si)。對單粒子瞬態(tài)（SET）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子柵極破裂（SEGR）免疫，線性能量轉(zhuǎn)移（LET）高達75 MeV - cm2 / mg。SET和單事件功能中斷（SEFI）特性在LET = 75 MeV - cm2 / mg時也有良好表現(xiàn)。

強大的驅(qū)動能力

驅(qū)動器具有1.3A的峰值源電流和2.5A的峰值灌電流，能夠為GaN FET提供足夠的驅(qū)動能力。

靈活的工作模式

提供兩種工作模式：單PWM輸入且死區(qū)時間可調(diào)，以及兩個獨立輸入。在獨立輸入模式下，還可選輸入互鎖保護，為設計提供了更多的靈活性。

快速的響應時間

典型傳播延遲僅30ns，高低側(cè)匹配時間為5.5ns，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的開關動作，提高系統(tǒng)效率。

其他特性

塑料封裝經(jīng)過ASTM E595標準的放氣測試，適用于軍事溫度范圍（–55°C至125°C）。

應用領域

空間衛(wèi)星電源

在空間衛(wèi)星電源系統(tǒng)中，輻射環(huán)境惡劣，對器件的可靠性要求極高。TPS7H60x5系列的抗輻射性能使其能夠在這種環(huán)境下穩(wěn)定工作，為衛(wèi)星電源提供可靠的驅(qū)動。

電機驅(qū)動

電機驅(qū)動需要高效、快速的開關動作，該系列驅(qū)動器的高驅(qū)動能力和快速響應時間能夠滿足電機驅(qū)動的需求。

其他應用

還可用于反應輪、通信有效載荷、光學成像有效載荷等領域。

詳細設計要點

電源供應

推薦的偏置電源電壓范圍為10V至14V，輸入電壓應穩(wěn)定且經(jīng)過適當?shù)呐月诽幚怼OOT電壓應在8V至14V之間，以確保高側(cè)驅(qū)動器正常工作。同時，要在VIN和AGND引腳之間放置旁路電容，在BOOT和ASW引腳之間放置自舉電容。

自舉電路設計

自舉電路是半橋配置中為高側(cè)柵極驅(qū)動器供電的關鍵。自舉電容的選擇要根據(jù)具體應用進行計算，一般應至少為高側(cè)GaN FET柵極電容的10倍。自舉二極管要能夠承受輸入電壓，并且在啟動期間能夠處理峰值瞬態(tài)電流。自舉電阻的選擇也很重要，建議至少為2Ω，以限制啟動期間的峰值電流和控制BOOT引腳的壓擺率。

輸入輸出配置

輸入引腳PWM_LI和EN_HI具有內(nèi)部下拉電阻，功能根據(jù)工作模式不同而變化。輸出采用分裂輸出，高低側(cè)分別有源輸出和灌輸出，可獨立調(diào)整GaN FET的開關時間。

死區(qū)時間設置

在PWM模式下，需要通過連接到AGND的電阻來編程死區(qū)時間，以防止高低側(cè)開關之間的交叉導通，同時最小化死區(qū)期間的損耗。

輸入互鎖保護

在獨立輸入模式下，可配置輸入互鎖保護，通過連接DHL和DLH引腳來激活或禁用該功能，提高功率級的魯棒性和可靠性。

欠壓鎖定和電源良好指示

器件具有欠壓鎖定（UVLO）功能，可保護內(nèi)部調(diào)節(jié)器和VIN、BOOT電壓。電源良好（PGOOD）引腳可指示低側(cè)線性調(diào)節(jié)器是否進入欠壓鎖定狀態(tài)。

負SW電壓瞬態(tài)處理

雖然增強型GaN FET能夠反向?qū)?，但在反向?qū)ㄆ陂g，SW引腳可能會出現(xiàn)負電壓瞬態(tài)。為了避免BOOT電壓過高，可在BOOT和SW之間使用外部齊納二極管進行鉗位。

布局建議

減小環(huán)路電感

將GaN FET盡可能靠近柵極驅(qū)動器放置，以減小整體環(huán)路電感，減少噪聲耦合問題。

優(yōu)化自舉充電路徑

最小化自舉充電路徑的環(huán)路面積，確保自舉電容和二極管的布局能夠?qū)崿F(xiàn)小環(huán)路面積。

合理放置旁路電容

將所有旁路電容（VIN到AGND、BP5L到AGND、BP5H到ASW、BOOT到ASW）盡可能靠近器件和相應引腳放置，推薦使用低ESR、低ESL的陶瓷電容。

分離功率和信號走線

分離功率走線和信號走線，減少不同層信號的重疊。

縮短連接路徑

使用短而低電感的路徑連接PSW到高側(cè)FET源極，PGND到低側(cè)FET源極，以減少開關期間的負電壓瞬態(tài)。

做好去耦處理

在GaN FET附近放置低ESR電容，防止輸入電源總線上出現(xiàn)過度的振鈴。

總結(jié)

TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅(qū)動器憑借其卓越的抗輻射性能、強大的驅(qū)動能力、靈活的工作模式和快速的響應時間，為電子工程師在輻射環(huán)境下的高頻、高效電源轉(zhuǎn)換器設計提供了一個優(yōu)秀的選擇。在設計過程中，我們需要根據(jù)具體應用需求，合理選擇電源供應、自舉電路組件、輸入輸出配置等，并遵循布局建議，以確保器件能夠發(fā)揮最佳性能。希望本文能夠?qū)Ω魑还こ處熢谑褂肨PS7H60x5系列器件進行設計時有所幫助。大家在實際設計過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。