輻射加固半橋氮化鎵FET柵極驅(qū)動器：TPS7H60x5系列深度解析

一、引言

在電子工程領(lǐng)域，特別是涉及到空間衛(wèi)星電源、電機驅(qū)動等對可靠性和性能要求極高的應(yīng)用場景中，合適的柵極驅(qū)動器至關(guān)重要。德州儀器（TI）的TPS7H60x5系列輻射加固（RHA）氮化鎵（GaN）場效應(yīng)晶體管（FET）柵極驅(qū)動器，便是為滿足這些嚴苛應(yīng)用而設(shè)計的高性能器件。本文將對TPS7H60x5系列進行全面解析，探討其特點、應(yīng)用、設(shè)計要點等內(nèi)容。

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二、產(chǎn)品概述

（一）產(chǎn)品系列組成

TPS7H60x5系列包含TPS7H6005（200V額定值）、TPS7H6015（60V額定值）和TPS7H6025（22V額定值）三款器件。它們均采用56引腳HTSSOP塑料封裝，并且有QMLP和空間增強塑料（SEP）兩種等級可供選擇。

（二）主要特點

1. 輻射性能卓越：
   • 具備高達100krad(Si)的總電離劑量（TID）輻射加固保證（RHA）。
   • 對線性能量轉(zhuǎn)移（LET）為75 MeV - cm2 / mg的單粒子瞬態(tài)（SET）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子?xùn)艠O擊穿（SEGR）免疫。
   • 對LET高達75 MeV - cm2 / mg的單粒子瞬態(tài)（SET）和單粒子功能中斷（SEFI）有良好的特性表現(xiàn)。
2. 電氣性能出色：
   • 具有1.3A的峰值源電流和2.5A的峰值灌電流。
   • 典型傳播延遲僅30ns（獨立輸入模式），典型延遲匹配為5.5ns。
   • 提供可調(diào)的死區(qū)時間能力。
3. 多種工作模式：
   • 單PWM輸入，死區(qū)時間可調(diào)。
   • 兩個獨立輸入，且在獨立輸入模式下可選擇輸入互鎖保護。
   • 采用分離式輸出，可獨立調(diào)節(jié)開啟和關(guān)斷時間。
4. 其他特點：
   • 塑料封裝經(jīng)過ASTM E595標準的逸氣測試。
   • 工作溫度范圍覆蓋軍事溫度范圍（–55°C至125°C）。

三、產(chǎn)品應(yīng)用

TPS7H60x5系列的應(yīng)用非常廣泛，主要包括以下幾個方面：

1. 空間衛(wèi)星電源：在衛(wèi)星的各種電源系統(tǒng)中，如衛(wèi)星電力系統(tǒng)、通信有效載荷電源等，對器件的輻射耐受性和可靠性要求極高，TPS7H60x5系列能夠滿足這些需求，確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
2. 電機驅(qū)動：在電機驅(qū)動應(yīng)用中，高頻率、高效率和高電流的特性使得該系列驅(qū)動器能夠更好地控制電機的運行，提高電機的性能和效率。
3. 反作用輪：反作用輪是衛(wèi)星姿態(tài)控制的關(guān)鍵部件，TPS7H60x5系列的可靠性能和精確控制能力有助于反作用輪的精確運行。
4. 通信有效載荷和光學(xué)成像有效載荷：為這些對信號質(zhì)量和穩(wěn)定性要求較高的載荷提供穩(wěn)定的供電和驅(qū)動，確保通信和成像的質(zhì)量。

四、器件詳細比較

（一）絕對最大電壓和推薦工作電壓

從表格中可以看出，不同型號的器件具有不同的電壓額定值，在設(shè)計時需要根據(jù)實際應(yīng)用需求選擇合適的器件。

五、引腳配置和功能

TPS7H60x5采用56引腳DCA封裝，各引腳具有不同的功能，以下是一些關(guān)鍵引腳的介紹：

1. BOOT：高側(cè)線性穩(wěn)壓器的輸入電壓源，外部自舉電容連接在BOOT和ASW之間。
2. ASW：高側(cè)驅(qū)動器信號返回端，部分引腳內(nèi)部連接到PSW和高側(cè)散熱墊。
3. BST：用于自舉充電，是自舉二極管陽極連接點。
4. VIN：柵極驅(qū)動器輸入電壓源，輸入電壓范圍為10V至14V。
5. DHL和DLH：分別用于設(shè)置高側(cè)到低側(cè)和低側(cè)到高側(cè)的死區(qū)時間，在不同工作模式下還有不同的配置方式。
6. PGOOD：電源正常引腳，當任何低側(cè)內(nèi)部線性穩(wěn)壓器或VIN進入欠壓鎖定時，該引腳置低。

在實際設(shè)計中，正確理解和使用這些引腳功能對于確保器件的正常運行至關(guān)重要。

六、規(guī)格參數(shù)

（一）絕對最大額定值

TPS7H60x5系列的絕對最大額定值規(guī)定了器件在不同條件下能夠承受的最大電壓和電流等參數(shù)，例如VIN到AGND的電壓范圍為–0.3V至16V等。在使用器件時，必須嚴格遵守這些參數(shù)，否則可能會導(dǎo)致器件永久性損壞。

（二）ESD額定值

靜電放電（ESD）是電子器件在生產(chǎn)和使用過程中需要重點關(guān)注的問題。該系列器件的人體模型（HBM）ESD額定值為±2000V，充電器件模型（CDM）ESD額定值為±500V。在實際操作中，需要采取適當?shù)姆漓o電措施，以保護器件不受ESD損壞。

（三）推薦工作條件

推薦工作條件包括輸入電壓、溫度范圍等參數(shù)。例如，VIN到AGND的推薦電壓范圍為10V至14V，工作結(jié)溫范圍為–55°C至125°C。在這些條件下工作，器件能夠發(fā)揮最佳性能并保證可靠性。

（四）電氣特性

電氣特性涵蓋了器件的各種性能參數(shù)，如靜態(tài)電流、動態(tài)電流、輸出電壓精度等。例如，低側(cè)靜態(tài)電流在不同工作模式下有所不同，在PWM模式下，當VIN = 12V，BOOT = 10V時，典型值為5mA至6.8mA。了解這些電氣特性有助于工程師在設(shè)計中進行準確的功耗計算和性能評估。

（五）開關(guān)特性

開關(guān)特性描述了器件在開關(guān)過程中的性能，如傳播延遲、上升時間、下降時間等。例如，LO關(guān)斷傳播延遲在PWM模式下典型值為30ns，在獨立輸入模式下典型值為27ns至38ns。這些參數(shù)對于高速開關(guān)應(yīng)用非常重要，能夠影響系統(tǒng)的整體性能。

（六）質(zhì)量一致性檢驗

該系列器件遵循MIL - STD - 883標準的方法5005進行質(zhì)量一致性檢驗，包括不同溫度下的靜態(tài)測試、動態(tài)測試和功能測試等。通過這些檢驗，確保器件的質(zhì)量和可靠性符合要求。

（七）典型特性

典型特性曲線展示了器件在不同條件下的性能變化趨勢，如輸出電壓隨輸入電壓的變化、傳播延遲隨溫度的變化等。這些曲線可以幫助工程師更好地理解器件的性能，在設(shè)計中進行合理的參數(shù)選擇和優(yōu)化。

七、詳細工作原理

（一）輸入電壓

在穩(wěn)態(tài)運行期間，TPS7H60x5的輸入電壓必須在10V至14V之間。該電壓為兩個低側(cè)線性穩(wěn)壓器BP5L和BP7L提供輸入，同時也用于為外部高側(cè)自舉電容充電。為了獲得最佳性能，需要在VIN和AGND之間添加旁路電容，并且該電容應(yīng)盡可能靠近柵極驅(qū)動器放置，其值通常至少是自舉電容值的十倍。

（二）線性穩(wěn)壓器操作

該器件包含三個內(nèi)部線性穩(wěn)壓器：BP5L、BP7L和BP5H。BP5L和BP7L位于低側(cè)，分別提供5V和7V的標稱輸出電壓，用于為低側(cè)邏輯電路和柵極驅(qū)動提供電源。BP5H位于高側(cè)，以BOOT引腳的電壓為輸入，為高側(cè)邏輯電路和外部FET提供5V的柵極電壓。每個穩(wěn)壓器都需要一個最小為1μF的電容連接到相應(yīng)的地引腳。

（三）自舉操作

1. 自舉充電：TPS7H60x5提供了多種自舉電容充電方式：
   • 通過內(nèi)部自舉開關(guān)充電：內(nèi)部自舉開關(guān)連接在VIN和BST引腳之間，外部自舉二極管連接在BST和BOOT之間。該開關(guān)僅在低側(cè)驅(qū)動器輸出開啟時導(dǎo)通，可減少自舉電容上的最大電壓。
   • 直接從VIN充電：這是一種更傳統(tǒng)的方法，適用于低側(cè)FET開啟不即時的情況。在這種情況下，可以通過在自舉電容串聯(lián)電阻、并聯(lián)齊納二極管或兩者結(jié)合的方式來防止自舉電容過充電。
   • 雙充電方式：結(jié)合了內(nèi)部自舉開關(guān)和直接從VIN充電的方法，既能避免啟動時的自舉充電問題，又能利用內(nèi)部開關(guān)在正常運行時降低自舉電壓。但這種方式會增加元件數(shù)量。
2. 自舉電容：外部自舉電容連接在BOOT和ASW之間，其電壓作為高側(cè)線性穩(wěn)壓器BP5H的輸入。一般來說，自舉電容的值應(yīng)至少是高側(cè)GaN FET柵極電容的10倍。更精確的計算可以根據(jù)總柵極電荷、靜態(tài)電流、最大占空比、開關(guān)頻率和允許的最大電壓降等參數(shù)進行。
3. 自舉二極管：自舉二極管需要能夠承受施加到半橋轉(zhuǎn)換器功率級的輸入電壓，并且能夠處理啟動期間的峰值瞬態(tài)電流。建議使用快速恢復(fù)二極管，并確保其正向電壓降不會觸發(fā)BP5H穩(wěn)壓器的欠壓鎖定。
4. 自舉電阻：自舉電阻用于限制柵極驅(qū)動器啟動時的峰值電流和控制BOOT引腳的壓擺率。建議使用至少2Ω的電阻，但該電阻與自舉電容會引入時間常數(shù)，需要檢查充電和刷新自舉電容電荷所需的時間是否符合要求。

（四）高側(cè)驅(qū)動器啟動

為了使高側(cè)驅(qū)動器正常啟動，BOOT到SW的電壓必須大于BOOT UVLO上升閾值（典型值為6.4V）。在半橋轉(zhuǎn)換器配置中，如果輸出存在預(yù)偏置電壓，自舉電容可能無法在輸出電壓充分放電之前從VIN充電。在VIN發(fā)生欠壓恢復(fù)時也會出現(xiàn)類似問題?？梢酝ㄟ^在轉(zhuǎn)換器輸出端添加放電電路來解決這個問題。

（五）輸入和輸出

輸入引腳PWM_LI和EN_HI具有約200kΩ的內(nèi)部下拉電阻，其功能取決于柵極驅(qū)動器的工作模式。在PWM模式下，PWM_LI作為單PWM控制信號的輸入引腳，EN_HI作為驅(qū)動器的使能引腳；在獨立輸入模式下，PWM_LI作為低側(cè)輸入，EN_HI作為高側(cè)輸入。輸入信號的電壓應(yīng)不超過14V，并且建議使用壓擺率大于2V/μs的輸入信號。

輸出采用分離式設(shè)計，高側(cè)有HOH和HOL（源和灌輸出），低側(cè)有LOH和LOL（源和灌輸出）。這些輸出能夠分別提供1.3A的源電流和2.5A的灌電流，通過在輸出路徑中添加額外的阻抗，可以獨立調(diào)節(jié)GaN器件的開啟和關(guān)斷速度。

（六）死區(qū)時間

在PWM模式下，需要在DLH和DHL引腳連接到AGND的電阻來編程死區(qū)時間。DHL電阻設(shè)置高側(cè)輸出（HO）關(guān)斷到低側(cè)輸出（LO）開啟之間的死區(qū)時間，DLH電阻設(shè)置低側(cè)輸出（LO）關(guān)斷到高側(cè)輸出（HO）開啟之間的死區(qū)時間。死區(qū)時間的選擇需要謹慎，以防止高側(cè)和低側(cè)開關(guān)之間的交叉導(dǎo)通，同時最小化該期間的損耗。

（七）輸入互鎖保護

在獨立輸入模式下，TPS7H60x5可以配置輸入互鎖保護。激活該保護時，DHL連接到5V，DLH連接一個阻值在100kΩ至220kΩ之間的電阻到AGND。該保護旨在防止半橋配置中GaN FET的直通現(xiàn)象，提高功率級的魯棒性和可靠性。當兩個輸入都為高電平時，內(nèi)部邏輯會將兩個輸出都關(guān)閉，直到其中一個輸入變?yōu)榈碗娖健?/p>

（八）欠壓鎖定和電源正常（PGOOD）

該器件在BP5L、BP7L、BP5H、BOOT和VIN上都有欠壓鎖定（UVLO）功能。當任何低側(cè)線性穩(wěn)壓器或VIN的輸出電壓低于UVLO閾值時，PWM輸入將被忽略，以防止GaN FET部分導(dǎo)通。此時，UVLO會主動將LO和HO拉低。當?shù)蛡?cè)穩(wěn)壓器和VIN都高于各自的UVLO閾值，但高側(cè)UVLO觸發(fā)時，只有HO會被拉低。

PGOOD引腳用于指示任何低側(cè)線性穩(wěn)壓器是否進入欠壓鎖定狀態(tài)。當所有低側(cè)穩(wěn)壓器和VIN都超過各自的上升UVLO閾值時，該引腳置高；當其中任何一個低于相應(yīng)的下降UVLO閾值時，該引腳置低。建議在PGOOD和BP5L之間連接一個10kΩ的上拉電阻。

（九）負SW電壓瞬態(tài)

由于增強型GaN FET的對稱結(jié)構(gòu)，在反向?qū)ㄆ陂g，開關(guān)節(jié)點引腳（ASW和PSW）會出現(xiàn)負電壓瞬態(tài)。這可能導(dǎo)致自舉電壓過高，因此需要確保BOOT到SW的電壓差不超過絕對最大值。一般情況下，BOOT會瞬間跟隨SW，但可以在BOOT和SW之間使用外部齊納二極管來鉗位自舉電壓。

（十）電平轉(zhuǎn)換器

TX和RX電平轉(zhuǎn)換器用于在低側(cè)輸入和以高電壓開關(guān)節(jié)點（ASW）為參考的高側(cè)驅(qū)動器級之間進行接口，實現(xiàn)對HO輸出的控制。高側(cè)和低側(cè)信號路徑中的電平轉(zhuǎn)換器具有相同的特性，能夠提供出色的延遲匹配（典型值為5.5ns）。

八、應(yīng)用和設(shè)計要點

（一）應(yīng)用信息

TPS7H60x5系列主要用于優(yōu)化空間環(huán)境中GaN FET的控制，適用于高頻、高效率的空間級轉(zhuǎn)換器設(shè)計。它具有集成的5V線性穩(wěn)壓器，為高低側(cè)的柵極電壓提供穩(wěn)定的電源，確保GaN FET的可靠性。該系列驅(qū)動器適用于多種常見的轉(zhuǎn)換器拓撲，如半橋、推挽、有源鉗位正激和雙開關(guān)正激等。

該器件能夠與傳統(tǒng)的輻射硬化PWM控制器和新型設(shè)備（如TPS7H5001 - SP或TPS7H5005 - SEP）配合使用，其輸入引腳能夠接受高達14V的信號，并且提供PWM模式和獨立輸入模式兩種工作模式，滿足不同用戶的需求。

（二）典型應(yīng)用示例

以TPS7H6005在高壓同步降壓轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用為例，詳細介紹設(shè)計過程：

1. 設(shè)計要求：
   • 電源級輸入電壓：100V
   • 輸出電壓：28V
   • 輸出電流：10A
   • 開關(guān)頻率：500kHz
   • 柵極驅(qū)動器輸入電壓：12V
   • 占空比：標稱28%，最大約35%
   • 電感：15μH
   • GaN FET：EPC2307（僅用于評估）
   • 工作模式：PWM
2. 詳細設(shè)計過程：
   • 自舉和旁路電容：
     • 自舉電容的選擇需要確保其在正常運行期間能夠維持在BOOT UVLO下降閾值以上。通過計算允許的最大電壓降?V_BOOT，確定自舉電容的最小值，考慮到溫度、電壓和負載瞬變的影響，選擇100nF的X7R電容。
     • VIN電容應(yīng)至少是自舉電容值的10倍，選擇2.2μF和1μF的陶瓷X7R電容。同時，BP5H、BP5L和BP7L輸出端應(yīng)使用1μF的X7R陶瓷電容，并盡可能靠近相應(yīng)引腳放置。
   • 自舉二極管：自舉二極管需要能夠承受電源級輸入電壓，并且具有低正向電壓降、低結(jié)電容和快速恢復(fù)時間。對于評估設(shè)置，選擇了150V、1A額定的肖特基二極管，但實際應(yīng)用中需要選擇滿足系統(tǒng)性能和輻射要求的二極管。
   • BP5x過沖和欠沖：由于PCB布局和GaN FET的寄生電感和電容，在開關(guān)過程中可能會導(dǎo)致柵極驅(qū)動波形出現(xiàn)振蕩，從而超過所選GaN FET的絕對最大VGS額定值。為了減輕振蕩幅度，需要將驅(qū)動器靠近GaN FET放置，并使用柵極電阻。
   • 柵極電阻：TPS7H6005的分離式輸出允許在GaN FET的開啟和關(guān)斷路徑中串聯(lián)電阻，用于抑制寄生電感和電容引起的振蕩，同時也可以調(diào)節(jié)驅(qū)動強度。對于該設(shè)計，選擇2Ω的電阻，并根據(jù)相關(guān)公式計算高側(cè)和低側(cè)的峰值源電流和灌電流。
   • 死區(qū)時間電阻：在PWM模式下，需要選擇合適的死區(qū)時間電阻來設(shè)置高側(cè)和低側(cè)之間的死區(qū)時間，以避免交叉導(dǎo)通和最小化損耗。對于該應(yīng)用，目標死區(qū)時間約為25ns，選擇30kΩ的電阻。
   • **柵極驅(qū)動器損耗