LMG2650：650V 95mΩ GaN半橋集成驅(qū)動(dòng)器的卓越之選

在電源管理和功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，氮化鎵（GaN）技術(shù)正以其卓越的性能逐漸嶄露頭角。今天，我們就來深入探討一款由德州儀器（TI）推出的高性能產(chǎn)品——LMG2650，一款集成了驅(qū)動(dòng)器和電流感應(yīng)仿真功能的650V 95mΩ GaN半橋器件。

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1. 產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1.1 高集成度設(shè)計(jì)

LMG2650將半橋功率FET、柵極驅(qū)動(dòng)器、自舉FET和高端柵極驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)6mm×8mm的QFN封裝中。這種集成化設(shè)計(jì)大大簡化了電路板的設(shè)計(jì)，減少了元件數(shù)量和占用空間，同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和成本。

1.2 出色的電氣性能

• 耐壓與低導(dǎo)通電阻：具備650V的額定電壓，能夠滿足離線電源開關(guān)應(yīng)用中遇到的高電壓需求。同時(shí)，低側(cè)和高側(cè)GaN FET的導(dǎo)通電阻僅為95mΩ，有效降低了導(dǎo)通損耗，提高了功率轉(zhuǎn)換效率。
• 低傳播延遲的柵極驅(qū)動(dòng)器：集成的柵極驅(qū)動(dòng)器傳播延遲小于100ns，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的開關(guān)動(dòng)作，提高了開關(guān)頻率，有助于減小磁性元件的尺寸，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的功率密度。
• 可編程的開通壓擺率控制：提供了可編程的開通壓擺率控制功能，通過設(shè)置RDRVL和RDRVH引腳的電阻，可以將低側(cè)和高側(cè)GaN FET的開通壓擺率分別編程為四種離散設(shè)置之一。這使得設(shè)計(jì)師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求，靈活調(diào)整壓擺率，以平衡功率損耗、開關(guān)引起的振鈴和電磁干擾（EMI）。

1.3 先進(jìn)的保護(hù)功能

• 過流保護(hù)：支持低側(cè)和高側(cè)逐周期過流保護(hù)，當(dāng)檢測(cè)到GaN FET的漏極電流超過過流閾值時(shí)，能夠迅速關(guān)閉相應(yīng)的FET，避免器件因過流損壞。同時(shí)，在過流故障發(fā)生時(shí)，還能產(chǎn)生快速上升的模擬電流感應(yīng)信號(hào)，防止控制器進(jìn)入掛起狀態(tài)。
• 過溫保護(hù)：具備獨(dú)立的低側(cè)和高側(cè)過溫保護(hù)功能，當(dāng)檢測(cè)到溫度超過設(shè)定的閾值時(shí)，會(huì)阻止相應(yīng)的FET導(dǎo)通，避免因過熱導(dǎo)致器件性能下降或損壞。
• 欠壓鎖定（UVLO）：AUX和BST引腳均具備欠壓鎖定功能，當(dāng)電源電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，會(huì)阻止相應(yīng)的FET導(dǎo)通，確保器件在安全的電壓范圍內(nèi)工作。

1.4 低靜態(tài)電流與快速啟動(dòng)

• 低靜態(tài)電流：AUX和BST引腳在空閑和待機(jī)狀態(tài)下的靜態(tài)電流都非常低，分別為250μA和70μA（AUX待機(jī)時(shí)為50μA），這有助于降低系統(tǒng)在輕載或待機(jī)模式下的功耗，提高系統(tǒng)的整體效率。
• 快速啟動(dòng)：高側(cè)啟動(dòng)時(shí)間小于8μs，能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)的啟動(dòng)需求，滿足一些對(duì)啟動(dòng)時(shí)間要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

2. 引腳配置與功能詳解

2.1 引腳配置

2.2 引腳功能注意事項(xiàng)

• 輸入引腳：INH、INL、EN和GDH引腳都有正向偏置的ESD二極管連接到相應(yīng)的電源引腳（AUX或BST），因此在使用時(shí)應(yīng)避免將這些引腳的電壓驅(qū)動(dòng)高于相應(yīng)的電源電壓，以免損壞ESD二極管。
• 壓擺率編程引腳：RDRVL和RDRVH引腳用于編程低側(cè)和高側(cè)GaN FET的開通壓擺率，具體的電阻設(shè)置可以參考數(shù)據(jù)手冊(cè)中的推薦值。需要注意的是，壓擺率設(shè)置是在AUX或BST電源上電時(shí)一次性確定的。
• 電流感應(yīng)引腳：CS引腳的電流感應(yīng)仿真功能可以替代傳統(tǒng)的電流感應(yīng)電阻，通過將CS引腳的輸出電流通過電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，提供給外部電源控制器。同時(shí)，CS引腳內(nèi)部有典型值為2.5V的鉗位保護(hù)，防止過壓損壞控制器的電流感應(yīng)輸入引腳。

3. 應(yīng)用領(lǐng)域與典型電路

3.1 應(yīng)用領(lǐng)域

LMG2650的高性能和高集成度使其適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，包括：

• 移動(dòng)壁式充電器設(shè)計(jì)：能夠滿足快速充電和高效功率轉(zhuǎn)換的需求，提高充電速度和效率。
• USB壁式電源插座：為USB設(shè)備提供穩(wěn)定、高效的電源供應(yīng)。
• AC/DC輔助電源：適用于各種電子設(shè)備的輔助電源模塊，提供可靠的電源支持。
• 電機(jī)驅(qū)動(dòng)：其可編程的開通壓擺率和低靜態(tài)電流特性，使其在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中能夠有效降低EMI和功耗。

3.2 典型電路示例

3.2.1 LLC應(yīng)用

詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整，包括選擇合適的磁性元件、電容和電阻等。同時(shí)，還需要注意電路板的布局和布線，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

3.2.2 AHB應(yīng)用

在AHB轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，LMG2650可以與AHB控制器配合使用，實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換和電壓調(diào)節(jié)。通過合理設(shè)計(jì)電路參數(shù)和布局，可以提高系統(tǒng)的性能和可靠性。

3.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，LMG2650可以用于控制電機(jī)的開關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速和控制。其超低的壓擺率設(shè)置能夠有效降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)過程中的EMI，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4. 設(shè)計(jì)與使用建議

4.1 電源供應(yīng)

LMG2650通過AUX引腳連接單個(gè)輸入電源，BST引腳由AUX引腳內(nèi)部供電。建議使用與電源控制器相同的電源管理和供應(yīng)系統(tǒng)，AUX電壓范圍推薦為10V至26V，該范圍與常見控制器的供電引腳開啟和UVLO電壓限制重疊。同時(shí)，AUX外部電容建議使用陶瓷電容，其容量應(yīng)至少為BST - SW電容的三倍。

4.2 電路板布局

4.2.1 焊點(diǎn)應(yīng)力緩解

由于LMG2650采用較大的QFN封裝，可能會(huì)面臨較高的焊點(diǎn)應(yīng)力。為了緩解焊點(diǎn)應(yīng)力，需要遵循以下最佳實(shí)踐：

• 按照數(shù)據(jù)手冊(cè)中關(guān)于NC錨定引腳的說明進(jìn)行操作。
• 所有電路板焊盤應(yīng)采用非阻焊定義（NSMD）方式，可參考數(shù)據(jù)手冊(cè)中的焊盤圖案示例。
• 連接到NSMD焊盤的電路板走線，在連接焊盤一側(cè)的寬度應(yīng)小于焊盤寬度的2/3，且在未被阻焊層覆蓋的部分應(yīng)保持該寬度限制，被阻焊層覆蓋后則無寬度限制。

4.2.2 信號(hào)接地連接

為了減少電源供應(yīng)中的噪聲干擾，建議設(shè)計(jì)獨(dú)立的信號(hào)地和功率地，并僅在一處連接。將LMG2650的AGND引腳連接到信號(hào)地，SL引腳和低側(cè)散熱焊盤連接到功率地，由于AGND、SL和低側(cè)散熱焊盤內(nèi)部是相連的，因此LMG2650作為信號(hào)地和功率地的單點(diǎn)連接點(diǎn)，避免在電路板的其他位置連接信號(hào)地和功率地。

4.2.3 CS引腳信號(hào)處理

由于電流感應(yīng)信號(hào)的阻抗比傳統(tǒng)電流感應(yīng)信號(hào)高三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此CS引腳信號(hào)更容易受到噪聲干擾。為了減少噪聲影響，應(yīng)盡量避免將電流感應(yīng)信號(hào)走線靠近任何嘈雜的走線，將電流感應(yīng)電阻和濾波電容放置在靠近控制器電流感應(yīng)輸入引腳的走線遠(yuǎn)端。

5. 總結(jié)

LMG2650作為一款高性能的GaN半橋集成驅(qū)動(dòng)器，憑借其高集成度、出色的電氣性能、先進(jìn)的保護(hù)功能和低靜態(tài)電流等優(yōu)點(diǎn)，為電源管理和功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供了一種優(yōu)秀的解決方案。無論是在移動(dòng)充電器、USB電源插座、AC/DC輔助電源還是電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域，LMG2650都能夠發(fā)揮其卓越的性能，幫助工程師們?cè)O(shè)計(jì)出更高效、更緊湊的電源系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電路參數(shù)和進(jìn)行電路板布局，以充分發(fā)揮LMG2650的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用類似的GaN器件時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。