探索LMG3616：650-V 270-mΩ GaN FET集成驅(qū)動器的卓越性能

在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，不斷追求更高效率、更小尺寸和更優(yōu)性能的過程中，氮化鎵（GaN）技術(shù)正逐漸嶄露頭角。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的LMG3616——一款集成了驅(qū)動器的650-V 270-mΩ GaN FET，看看它在開關(guān)模式電源應(yīng)用中能帶來怎樣的驚喜。

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1. 產(chǎn)品特性：集高性能與多功能于一身

1.1 強(qiáng)大的GaN功率FET

LMG3616采用了650-V 270-mΩ的GaN功率FET，具備出色的耐壓和低導(dǎo)通電阻特性，能夠有效降低功率損耗，提高電源轉(zhuǎn)換效率。與傳統(tǒng)的硅FET相比，GaN FET的開關(guān)速度更快，輸出電容更小，這使得它在高頻開關(guān)應(yīng)用中表現(xiàn)更為出色。

1.2 集成式柵極驅(qū)動器

集成的柵極驅(qū)動器具有低傳播延遲和可調(diào)節(jié)的導(dǎo)通壓擺率控制功能。可調(diào)節(jié)的導(dǎo)通壓擺率能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行靈活調(diào)整，從而有效控制電磁干擾（EMI）和振鈴現(xiàn)象，減少對周圍電路的干擾。同時，低傳播延遲確保了快速的開關(guān)響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

1.3 全面的保護(hù)功能

過溫保護(hù)功能是LMG3616的一大亮點(diǎn)，當(dāng)芯片溫度超過設(shè)定閾值時，會通過FLT引腳發(fā)出故障信號，提醒系統(tǒng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，避免芯片因過熱而損壞。此外，還具備欠壓鎖定（UVLO）功能，當(dāng)電源電壓低于設(shè)定值時，會自動鎖定芯片，防止異常工作，提高系統(tǒng)的可靠性。

1.4 低靜態(tài)電流和寬電壓范圍

AUX引腳的靜態(tài)電流僅為55 μA，這使得LMG3616在輕載或待機(jī)模式下能夠消耗極低的功率，滿足電源轉(zhuǎn)換器對輕載效率的要求。同時，最大電源和輸入邏輯引腳電壓可達(dá)26 V，提供了更寬的電壓應(yīng)用范圍。

1.5 緊湊的封裝設(shè)計(jì)

采用8 mm × 5.3 mm的QFN封裝，并帶有散熱墊，不僅減小了芯片的占用面積，還有助于提高散熱性能，確保芯片在高功率應(yīng)用中能夠穩(wěn)定工作。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域：廣泛適用于各類電源場景

LMG3616的高性能和多功能特性使其在多個電源應(yīng)用領(lǐng)域都能大顯身手，例如：

• AC/DC適配器和充電器：能夠提高充電效率，減少發(fā)熱，實(shí)現(xiàn)快速充電功能。
• USB墻式電源插座：為移動設(shè)備提供高效、穩(wěn)定的電源供應(yīng)。
• 電視電源：滿足電視對高功率、高效率電源的需求，同時降低功耗。
• LED電源：確保LED燈的穩(wěn)定發(fā)光，提高照明質(zhì)量。

3. 產(chǎn)品描述：簡化設(shè)計(jì)，提升性能

LMG3616專為開關(guān)模式電源應(yīng)用而設(shè)計(jì)，通過將GaN FET和柵極驅(qū)動器集成在一個緊湊的QFN封裝中，大大簡化了設(shè)計(jì)過程，減少了外部元件的數(shù)量，降低了設(shè)計(jì)成本和電路板空間?？?a target="_blank">編程的導(dǎo)通壓擺率為EMI和振鈴控制提供了有效的手段，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。此外，低靜態(tài)電流和快速啟動時間使得LMG3616能夠支持轉(zhuǎn)換器的輕載效率要求和突發(fā)模式操作，提高了系統(tǒng)的整體性能。

4. 引腳配置和功能：清晰明確，易于使用

4.1 主要引腳功能

4.2 特殊引腳說明

• IN引腳：具有典型的1-V輸入電壓閾值遲滯，可有效提高抗干擾能力。同時，帶有典型的400-kΩ下拉電阻，防止輸入浮空。
• RDRV引腳：通過設(shè)置與AGND之間的電阻值，可以將GaN FET的導(dǎo)通壓擺率編程為四個離散設(shè)置之一，實(shí)現(xiàn)不同的開關(guān)速度和性能。
• FLT引腳：僅在過溫保護(hù)觸發(fā)時發(fā)出故障信號，為系統(tǒng)提供了可靠的故障診斷手段。

5. 規(guī)格參數(shù)：明確性能邊界

5.1 絕對最大額定值

• 電壓方面：漏源電壓（VDS）最大值可達(dá)800 V（瞬態(tài)振鈴峰值電壓），AUX引腳電壓范圍為 -0.3 V至30 V，IN和FLT引腳電壓范圍為 -0.3 V至VAUX + 0.3 V。
• 電流方面：漏極連續(xù)電流（ID(cnts)）范圍為 -4 A至4 A，脈沖電流（ID(pulse)(oc)）可達(dá)10.7 A。
• 溫度方面：工作結(jié)溫范圍為 -40°C至150°C，存儲溫度范圍為 -40°C至150°C。

5.2 ESD額定值

人體模型（HBM）為 ±1000 V，充電設(shè)備模型（CDM）為 ±500 V，這表明LMG3616在靜電防護(hù)方面具有一定的能力，但在實(shí)際使用中仍需注意靜電保護(hù)措施。

5.3 推薦工作條件

• 電壓和電流：推薦AUX電壓范圍為10 V至26 V，IN引腳輸入電壓范圍為0 V至VAUX，漏極連續(xù)電流（ID(cnts)）范圍為 -3.2 A至3.2 A。
• 電容和電阻：AUX到AGND的外部旁路電容（CAUX）建議至少為0.030 μF，RDRV到AGND的電阻可根據(jù)不同的壓擺率設(shè)置進(jìn)行選擇。

5.4 熱信息

結(jié)到環(huán)境的熱阻（RθJA）為27 °C/W，結(jié)到外殼（底部）的熱阻（RθJC(bot)）為2.13 °C/W，良好的熱性能有助于確保芯片在高功率應(yīng)用中的穩(wěn)定性。

5.5 電氣特性

• GaN功率FET：導(dǎo)通電阻（RDS(on)）在不同溫度和電流條件下有不同的表現(xiàn)，25°C時典型值為270 mΩ，125°C時為484 mΩ。
• 輸入引腳：IN引腳具有正、負(fù)輸入閾值電壓和閾值電壓遲滯，下拉輸入電阻和電流也有明確的規(guī)格。

5.6 開關(guān)特性

不同的導(dǎo)通壓擺率設(shè)置會影響GaN功率FET的開關(guān)時間，如導(dǎo)通延遲時間、關(guān)斷延遲時間和上升/下降時間等。例如，在最快壓擺率設(shè)置下，導(dǎo)通延遲時間可低至23 ns。

6. 參數(shù)測量信息：準(zhǔn)確評估性能

6.1 GaN功率FET開關(guān)參數(shù)測量

通過雙脈沖測試電路來測量GaN功率FET的開關(guān)參數(shù)，該電路在升壓配置下工作，將低側(cè)的LMG3616作為被測設(shè)備（DUT），高側(cè)的LMG3616作為雙脈沖測試二極管。開關(guān)參數(shù)包括導(dǎo)通時的漏極電流延遲時間、導(dǎo)通延遲時間和上升時間，以及關(guān)斷時的延遲時間和下降時間等。這些參數(shù)的測量有助于工程師準(zhǔn)確評估LMG3616的開關(guān)性能，為電路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

7. 詳細(xì)描述：深入了解工作原理

7.1 概述

LMG3616集成了GaN FET、柵極驅(qū)動器和保護(hù)功能，旨在為開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器提供高效、可靠的解決方案。內(nèi)部柵極驅(qū)動器能夠調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓，優(yōu)化GaN FET的導(dǎo)通電阻，同時降低總柵極電感和共源電感，提高開關(guān)性能和共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）。

7.2 功能框圖

從功能框圖可以看到，LMG3616主要由GaN FET、FET驅(qū)動器、故障監(jiān)測器和FET控制檢測器等組成。各部分協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對GaN FET的精確控制和保護(hù)。

7.3 特性描述

7.3.1 GaN功率FET開關(guān)能力

與硅FET不同，GaN FET的擊穿電壓遠(yuǎn)高于銘牌漏源電壓。LMG3616的擊穿漏源電壓超過800 V，使其能夠在超出相同銘牌額定值的硅FET的條件下工作。通過開關(guān)周期的波形圖可以看出，LMG3616在正常工作和輸入電壓浪涌情況下都能保持穩(wěn)定的性能。

7.3.2 導(dǎo)通壓擺率控制

通過RDRV引腳與AGND之間的電阻設(shè)置，可以將導(dǎo)通壓擺率編程為四個離散設(shè)置之一。不同的設(shè)置對應(yīng)不同的導(dǎo)通速度和性能，工程師可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行選擇，在電源效率和EMI/瞬態(tài)振鈴之間進(jìn)行權(quán)衡。

7.3.3 輸入控制引腳（IN）

IN引腳用于控制GaN功率FET的導(dǎo)通和關(guān)斷，具有輸入電壓閾值遲滯和下拉電阻，可提高抗干擾能力。同時，AUX UVLO和過溫保護(hù)會獨(dú)立于IN邏輯狀態(tài)對其進(jìn)行阻塞，確保系統(tǒng)的安全性。

7.3.4 AUX電源引腳

AUX引腳作為內(nèi)部電路的輸入電源，具有電源復(fù)位和欠壓鎖定（UVLO）功能。電源復(fù)位可在AUX電壓低于設(shè)定值時禁用低側(cè)功能，UVLO可防止在電壓過低時GaN功率FET工作，避免異常情況發(fā)生。

7.3.5 過溫保護(hù)

當(dāng)LMG3616的溫度超過過溫保護(hù)閾值時，會阻止GaN功率FET工作，并通過FLT引腳發(fā)出故障信號。過溫保護(hù)的遲滯特性可避免熱循環(huán)的不穩(wěn)定，確保系統(tǒng)的可靠性。

7.3.6 故障報(bào)告

LMG3616僅報(bào)告過溫故障，當(dāng)過溫保護(hù)觸發(fā)時，F(xiàn)LT引腳會拉低，提醒系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)處理。

7.4 設(shè)備功能模式

在推薦工作條件下，LMG3616具有一種工作模式，能夠穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

8. 應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)：提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)

8.1 應(yīng)用信息

LMG3616使得GaN FET技術(shù)在開關(guān)模式電源應(yīng)用中更容易實(shí)現(xiàn)。集成的柵極驅(qū)動器、低IN輸入閾值電壓和寬AUX輸入電源電壓使其能夠與常見的電源控制器無縫配合，工程師只需通過編程電阻設(shè)置所需的導(dǎo)通壓擺率即可。

8.2 典型應(yīng)用

以140-W LLC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用為例，LMG3616與德州儀器的UCC25660 LLC控制器完美搭配，實(shí)現(xiàn)了高功率密度和高效率的電源轉(zhuǎn)換。該應(yīng)用的設(shè)計(jì)要求包括輸入直流電壓范圍、輸出直流電壓、輸出額定電流、輸出電壓紋波和峰值效率等。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)具體需求進(jìn)行參數(shù)選擇和優(yōu)化設(shè)置。

8.3 電源供應(yīng)建議

LMG3616可通過連接到AUX引腳的單個輸入電源供電，推薦的AUX電壓范圍為10 V至26 V，與常見控制器的電源引腳導(dǎo)通和UVLO電壓限制重疊。同時，建議AUX外部電容采用至少0.03 μF的陶瓷電容，以確保電源的穩(wěn)定性。

8.4 布局設(shè)計(jì)

8.4.1 布局指南

• 焊點(diǎn)應(yīng)力緩解：遵循NC1、NC2和NC3錨定引腳的使用說明，采用非焊盤定義（NSMD）的電路板焊盤，并限制連接到NSMD焊盤的電路板走線寬度，以緩解大QFN封裝可能產(chǎn)生的焊點(diǎn)應(yīng)力。
• 信號地連接：設(shè)計(jì)電源時采用獨(dú)立的信號地和功率地，并僅在一處連接。將LMG3616的AGND引腳連接到信號地，S引腳和PAD散熱墊連接到功率地，以減少干擾。

8.4.2 布局示例

提供了PCB頂層和底層的布局示例，為工程師進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)提供了參考。

9. 設(shè)備和文檔支持：全方位保障設(shè)計(jì)順利進(jìn)行

9.1 文檔支持

提供了相關(guān)的文檔資源，如UCC25660X設(shè)計(jì)計(jì)算器，可幫助工程師進(jìn)行LLC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)計(jì)算。

9.2 接收文檔更新通知

通過ti.com上的設(shè)備產(chǎn)品文件夾，點(diǎn)擊“Notifications”進(jìn)行注冊，即可接收每周的產(chǎn)品信息更新摘要，及時了解產(chǎn)品的最新動態(tài)。

9.3 支持資源

TI E2E?支持論壇為工程師提供了一個獲取快速、準(zhǔn)確答案和設(shè)計(jì)幫助的平臺，工程師可以在這里搜索現(xiàn)有答案或提出自己的問題，獲取專家的指導(dǎo)。

9.4 商標(biāo)說明

TI E2E?是德州儀器的商標(biāo)，所有商標(biāo)均歸其各自所有者所有。

9.5 靜電放電注意事項(xiàng)

由于LMG3616是集成電路，容易受到靜電放電（ESD）的損壞，因此在處理和安裝時需要采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，避免因ESD導(dǎo)致的性能下降或設(shè)備故障。

9.6 術(shù)語表

提供了TI術(shù)語表，對相關(guān)的術(shù)語、首字母縮寫詞和定義進(jìn)行了解釋，幫助工程師更好地理解文檔內(nèi)容。

10. 總結(jié)

LMG3616作為一款高性能的集成式GaN FET，憑借其出色的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和詳細(xì)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，為電源工程師提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在追求更高效率、更小尺寸和更優(yōu)性能的電源設(shè)計(jì)中，LMG3616無疑是一個值得考慮的選擇。你在使用類似的GaN FET產(chǎn)品時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。