SGM48521：高速低側(cè)GaN和MOSFET驅(qū)動(dòng)器的全面解析

在功率電子領(lǐng)域，高速高效的驅(qū)動(dòng)器對于提升系統(tǒng)性能至關(guān)重要。SGMICRO推出的SGM48521高速單通道低側(cè)驅(qū)動(dòng)器，專為驅(qū)動(dòng)GaN FET和邏輯電平MOSFET而設(shè)計(jì)，能夠廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。今天就來深入了解一下這款驅(qū)動(dòng)器。

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產(chǎn)品概述

SGM48521是一款高速單通道低側(cè)驅(qū)動(dòng)器，可用于驅(qū)動(dòng)GaN FET和邏輯電平MOSFET。其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，涵蓋了激光雷達(dá)、飛行時(shí)間測量、面部識(shí)別以及使用低側(cè)驅(qū)動(dòng)器的功率轉(zhuǎn)換器等。該驅(qū)動(dòng)器具備7A源電流和6A灌電流輸出能力，采用分離輸出配置，可根據(jù)FET的特性對導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化。此外，其封裝和引腳布局的寄生電感極小，有助于減少上升和下降時(shí)間并抑制振鈴現(xiàn)象。同時(shí)，2.2ns的傳播延遲以及極小的公差和變化，使其能夠在高頻下高效工作。SGM48521還具備內(nèi)部欠壓鎖定和過溫保護(hù)功能，可有效應(yīng)對過載和故障情況。它提供Green WLCSP - 0.88×1.28 - 6B和TDFN - 2×2 - 6AL兩種封裝形式。

產(chǎn)品特性

1. 電源電壓與電流能力：供電電壓為5V，具有7A的峰值源電流和6A的峰值灌電流，能夠?yàn)樨?fù)載提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力。
2. 超高速驅(qū)動(dòng)：專為GaN和Si FET設(shè)計(jì)的超快速低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器，最小輸入脈沖寬度可達(dá)1ns，最高工作頻率可達(dá)60MHz，滿足高速應(yīng)用的需求。
3. 快速響應(yīng)：傳播延遲典型值為2.2ns（最大值3.6ns），上升和下降時(shí)間極短。WLCSP - 0.88×1.28 - 6B封裝的上升時(shí)間典型值為500ps，下降時(shí)間典型值為460ps；TDFN - 2×2 - 6AL封裝的上升時(shí)間典型值為620ps，下降時(shí)間典型值為610ps。
4. 保護(hù)功能完善：具備欠壓鎖定（UVLO）和過溫保護(hù)（OTP）功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
5. 封裝多樣：提供Green WLCSP - 0.88×1.28 - 6B和TDFN - 2×2 - 6AL兩種綠色封裝，方便不同的應(yīng)用需求。

應(yīng)用領(lǐng)域

1. 激光測距系統(tǒng)：高速響應(yīng)和精確控制能力能夠滿足激光測距系統(tǒng)對精確測量的要求。
2. 5G RF通信系統(tǒng)：在高頻通信中，能夠有效降低開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)性能。
3. 無線充電系統(tǒng)：強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)功能，保障了無線充電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
4. GaN DC/DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：專門為驅(qū)動(dòng)GaN FET設(shè)計(jì)，可充分發(fā)揮GaN器件的優(yōu)勢。

電氣特性詳解

直流特性

• 電源電流：VDD靜態(tài)電流在輸入為0V時(shí)最大為75μA；VDD工作電流在無負(fù)載、開關(guān)頻率為30MHz時(shí)典型值為58mA，帶100pF負(fù)載時(shí)典型值為80mA。
• 欠壓鎖定閾值：VDD上升時(shí)，欠壓鎖定閾值典型值為4.16V，遲滯電壓為75mV。
• 過溫保護(hù)閾值：過溫關(guān)斷上升沿閾值為170℃，過溫遲滯為21℃。
• 輸入特性：IN+和IN - 的高閾值典型值為2.15V，低閾值典型值為1.4V，遲滯典型值為0.45V。正輸入下拉電阻和負(fù)輸入上拉電阻典型值均為200kΩ，輸入引腳電容典型值為2.3pF。
• 輸出特性：OUTL電壓在輸出電流為100mA、輸入為0V時(shí)最大為35mV；OUTH電壓在輸出電流為100mA、IN+為3V、IN - 為0V時(shí)，VDD - VOH最大為24mV。峰值源電流為7A，峰值灌電流為6A。

開關(guān)特性

• 啟動(dòng)和關(guān)斷時(shí)間：VDD上升超過UVLO時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間最大為78μs；UVLO下降時(shí)，關(guān)斷時(shí)間典型值為2.8μs，最大值為3.5μs。
• 傳播延遲：導(dǎo)通傳播延遲在100pF負(fù)載、TJ = +25℃時(shí)，TDFN - 2×2 - 6AL封裝典型值為2.2ns，最大值為3.6ns；WLCSP - 0.88×1.28 - 6B封裝典型值為1.9ns，最大值為3.6ns。關(guān)斷傳播延遲典型值為1.7ns，最大值為3.5ns。
• 脈沖正失真：TDFN - 2×2 - 6AL封裝最大為500ps，WLCSP - 0.88×1.28 - 6B封裝最大為200ps。
• 輸出上升和下降時(shí)間：0Ω串聯(lián)100pF負(fù)載時(shí)，TDFN - 2×2 - 6AL封裝的上升時(shí)間典型值為620ps，下降時(shí)間典型值為610ps；WLCSP - 0.88×1.28 - 6B封裝的上升時(shí)間典型值為500ps，下降時(shí)間典型值為460ps。
• 最小輸入脈沖寬度：0Ω串聯(lián)100pF負(fù)載時(shí)最小為1ns。

設(shè)計(jì)與應(yīng)用要點(diǎn)

典型應(yīng)用電路

SGM48521的典型應(yīng)用電路采用單通道、5V驅(qū)動(dòng)電壓，專門用于驅(qū)動(dòng)GaN晶體管或邏輯電平Si FET。輸出采用分離結(jié)構(gòu)，可通過驅(qū)動(dòng)電阻分別控制導(dǎo)通和關(guān)斷速度。若無需單獨(dú)調(diào)整，OUTH和OUTL可直接相連（必要時(shí)可添加單個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電阻）。為避免驅(qū)動(dòng)電路寄生電感導(dǎo)致的電壓過應(yīng)力，建議在OUTH和OUTL使用至少2Ω的電阻。

設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)使用SGM48521柵極驅(qū)動(dòng)器和GaN功率FET時(shí)，尤其是對于高M(jìn)Hz頻率（或納秒脈沖）應(yīng)用，需要考慮多個(gè)關(guān)鍵因素，包括電路布局、PCB走線設(shè)計(jì)、無源元件選擇和最大工作頻率等。

處理地彈問題

將SGM48521的接地引腳盡可能靠近低側(cè)FET的源極，以獲得最小的柵極電流環(huán)路和寄生電感，從而最大化開關(guān)性能。但這可能會(huì)導(dǎo)致SGM48521出現(xiàn)地彈現(xiàn)象，造成輸入開關(guān)邏輯錯(cuò)誤和輸出電平異常。為消除這一影響，SGM48521在輸入端內(nèi)置了施密特觸發(fā)器，以增加輸入遲滯。可通過公式(frac{di}{dt}=frac{V{HYS}}{L{P}})計(jì)算最大允許的電流變化率。此外，使用反相輸入接收PWM信號并將同相輸入連接到VDD，可減少誤脈沖或振蕩的可能性，提高穩(wěn)定性。在IN - 輸入前放置100Ω限流電阻，可保護(hù)器件免受大電流尖峰的影響。若電流變化率不高且脈沖寬度不是很短，可利用SGM48521輸入的寄生電容，通過在輸入引腳串聯(lián)電阻來創(chuàng)建RC濾波器，以降低高頻噪聲。在更惡劣的環(huán)境中，使用共模扼流圈可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

產(chǎn)生納秒脈沖

SGM48521可向容性負(fù)載提供最小1ns的脈沖寬度輸出。要輸出如此小的等效脈沖寬度，需要強(qiáng)大的數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，并考慮數(shù)字輸出到SGM48521輸入的寄生參數(shù)的影響。利用SGM48521的兩個(gè)輸入和與門，可實(shí)現(xiàn)輸出端產(chǎn)生短脈沖的方法。將一個(gè)數(shù)字信號連接到IN+，另一個(gè)延遲的數(shù)字信號連接到IN - ，輸出端將出現(xiàn)寬度等于兩個(gè)數(shù)字信號延遲時(shí)間的窄脈沖。若數(shù)字信號只有一個(gè)輸出，可使用RC低通濾波器生成具有可調(diào)延遲時(shí)間的信號，該時(shí)間與RC時(shí)間常數(shù)有關(guān)。

VDD過沖解決方案

由于PCB寄生電感的存在，在大電流開關(guān)條件下容易出現(xiàn)電感振鈴和瞬態(tài)過沖電壓。在PCB設(shè)計(jì)過程中，需要評估和控制振鈴引起的過沖，確保不超過器件的應(yīng)力范圍?？赏ㄟ^優(yōu)化PCB布局減小寄生電感，使用低ESL元件和串聯(lián)電阻限制電壓過沖。若過沖過大，需考慮電源的精度。

高頻應(yīng)用

SGM48521具有快速的上升/下降時(shí)間，提供最小1ns的脈沖寬度輸出能力和最高60MHz的工作頻率。根據(jù)容性負(fù)載的不同，可選擇不同的輸出模式和頻率。在高頻脈沖工作條件下，為防止器件過熱，可使用具有一定間隔時(shí)間的高頻脈沖串，同時(shí)需要更大的去耦電容來為容性負(fù)載高頻充電。

電源建議

為在FET導(dǎo)通時(shí)提供高峰值電流并提高VDD引腳電源電壓的穩(wěn)定性，應(yīng)使用低ESR/ESL陶瓷電容作為旁路電容，并盡可能靠近IC的VDD和GND引腳放置。為避免IC引腳出現(xiàn)振鈴，去耦電容應(yīng)與IC放置在同一側(cè)，且避免使用過孔。為實(shí)現(xiàn)最佳瞬態(tài)性能，建議選擇三端電容和較大電容并聯(lián)。三端電容應(yīng)靠近IC的VDD和GND引腳放置，另一個(gè)電容靠近三端電容放置。

布局指南

在大電流、快速開關(guān)電路中，正確的PCB布局對于確保器件正常運(yùn)行和設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性至關(guān)重要。SGM48521采用WLCSP球柵陣列封裝，可減少與BGA型GaN FET連接線中的寄生電感。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，建議使用至少四層布線的PCB以最小化寄生電感。使用更小封裝（如0201）的電阻和電容也可減小電感和PCB空間，但需計(jì)算小封裝電阻的功率以滿足柵極驅(qū)動(dòng)功率損耗的要求。

驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感和接地

SGM48521應(yīng)盡可能靠近GaN FET放置，柵極驅(qū)動(dòng)電路的走線應(yīng)盡可能寬，以減少寄生電感。為實(shí)現(xiàn)最小的驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感，建議使用PCB的第二層作為GaN FET的源極環(huán)路，靠近器件底部（頂層）。連接到GND引腳和FET源極的過孔應(yīng)盡可能低阻抗地連接到該層。

旁路電容

VDD引腳需要一個(gè)旁路電容連接到GND，并盡可能靠近SGM48521的引腳。電容應(yīng)連接到VDD和GND電源平面，這些平面應(yīng)盡可能大且靠近PCB的頂層。由于IC的工作頻率較高，旁路電容的電感至關(guān)重要，因此旁路電容的值應(yīng)在0.1μF至1μF之間，材料應(yīng)為X7R或更好。適合該應(yīng)用的最佳電容包括低電感芯片電容（LICC）、叉指電容（IDC）、穿心電容和LGA電容。最后，為滿足驅(qū)動(dòng)峰值電流的需求，應(yīng)在靠近IC的VDD和GND之間并聯(lián)一個(gè)額外的1μF電容。

總結(jié)

SGM48521作為一款高性能的高速低側(cè)驅(qū)動(dòng)器，憑借其出色的電氣特性、完善的保護(hù)功能和靈活的應(yīng)用設(shè)計(jì)，為GaN FET和邏輯電平MOSFET的驅(qū)動(dòng)提供了優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和要求，合理設(shè)計(jì)電路布局、選擇合適的元件，并注意處理各種可能出現(xiàn)的問題，以充分發(fā)揮SGM48521的性能優(yōu)勢。大家在使用SGM48521的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。