辐射加固半桥氮化镓FET栅极驱动器：TPS7H60x5系列深度解析

一、引言

在电子工程领域，特别是涉及到空间卫星电源、电机驱动等对可靠性和性能要求极高的应用场景中，合适的栅极驱动器至关重要。德州仪器（TI）的TPS7H60x5系列辐射加固（RHA）氮化镓（GaN）场效应晶体管（FET）栅极驱动器，便是为满足这些严苛应用而设计的高性能器件。本文将对TPS7H60x5系列进行全面解析，探讨其特点、应用、设计要点等内容。

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二、产品概述

（一）产品系列组成

TPS7H60x5系列包含TPS7H6005（200V额定值）、TPS7H6015（60V额定值）和TPS7H6025（22V额定值）三款器件。它们均采用56引脚HTSSOP塑料封装，并且有QMLP和空间增强塑料（SEP）两种等级可供选择。

（二）主要特点

1. 辐射性能卓越：
   • 具备高达100krad(Si)的总电离剂量（TID）辐射加固保证（RHA）。
   • 对线性能量转移（LET）为75 MeV - cm² / mg的单粒子瞬态（SET）、单粒子烧毁（SEB）和单粒子栅极击穿（SEGR）免疫。
   • 对LET高达75 MeV - cm² / mg的单粒子瞬态（SET）和单粒子功能中断（SEFI）有良好的特性表现。
2. 电气性能出色：
   • 具有1.3A的峰值源电流和2.5A的峰值灌电流。
   • 典型传播延迟仅30ns（独立输入模式），典型延迟匹配为5.5ns。
   • 提供可调的死区时间能力。
3. 多种工作模式：
   • 单PWM输入，死区时间可调。
   • 两个独立输入，且在独立输入模式下可选择输入互锁保护。
   • 采用分离式输出，可独立调节开启和关断时间。
4. 其他特点：
   • 塑料封装经过ASTM E595标准的逸气测试。
   • 工作温度范围覆盖军事温度范围（–55°C至125°C）。

三、产品应用

TPS7H60x5系列的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：

1. 空间卫星电源：在卫星的各种电源系统中，如卫星电力系统、通信有效载荷电源等，对器件的辐射耐受性和可靠性要求极高，TPS7H60x5系列能够满足这些需求，确保电源系统的稳定运行。
2. 电机驱动：在电机驱动应用中，高频率、高效率和高电流的特性使得该系列驱动器能够更好地控制电机的运行，提高电机的性能和效率。
3. 反作用轮：反作用轮是卫星姿态控制的关键部件，TPS7H60x5系列的可靠性能和精确控制能力有助于反作用轮的精确运行。
4. 通信有效载荷和光学成像有效载荷：为这些对信号质量和稳定性要求较高的载荷提供稳定的供电和驱动，确保通信和成像的质量。

四、器件详细比较

（一）绝对最大电压和推荐工作电压

器件	绝对最大电压 (SW to GND)	推荐工作电压 (SW to GND)
TPS7H6005	200V	150V
TPS7H6015	60V	45V
TPS7H6025	22V	14V

从表格中可以看出，不同型号的器件具有不同的电压额定值，在设计时需要根据实际应用需求选择合适的器件。

五、引脚配置和功能

TPS7H60x5采用56引脚DCA封装，各引脚具有不同的功能，以下是一些关键引脚的介绍：

1. BOOT：高侧线性稳压器的输入电压源，外部自举电容连接在BOOT和ASW之间。
2. ASW：高侧驱动器信号返回端，部分引脚内部连接到PSW和高侧散热垫。
3. BST：用于自举充电，是自举二极管阳极连接点。
4. VIN：栅极驱动器输入电压源，输入电压范围为10V至14V。
5. DHL和DLH：分别用于设置高侧到低侧和低侧到高侧的死区时间，在不同工作模式下还有不同的配置方式。
6. PGOOD：电源正常引脚，当任何低侧内部线性稳压器或VIN进入欠压锁定时，该引脚置低。

在实际设计中，正确理解和使用这些引脚功能对于确保器件的正常运行至关重要。

六、规格参数

（一）绝对最大额定值

TPS7H60x5系列的绝对最大额定值规定了器件在不同条件下能够承受的最大电压和电流等参数，例如VIN到AGND的电压范围为–0.3V至16V等。在使用器件时，必须严格遵守这些参数，否则可能会导致器件永久性损坏。

（二）ESD额定值

静电放电（ESD）是电子器件在生产和使用过程中需要重点关注的问题。该系列器件的人体模型（HBM）ESD额定值为±2000V，充电器件模型（CDM）ESD额定值为±500V。在实际操作中，需要采取适当的防静电措施，以保护器件不受ESD损坏。

（三）推荐工作条件

推荐工作条件包括输入电压、温度范围等参数。例如，VIN到AGND的推荐电压范围为10V至14V，工作结温范围为–55°C至125°C。在这些条件下工作，器件能够发挥最佳性能并保证可靠性。

（四）电气特性

电气特性涵盖了器件的各种性能参数，如静态电流、动态电流、输出电压精度等。例如，低侧静态电流在不同工作模式下有所不同，在PWM模式下，当VIN = 12V，BOOT = 10V时，典型值为5mA至6.8mA。了解这些电气特性有助于工程师在设计中进行准确的功耗计算和性能评估。

（五）开关特性

开关特性描述了器件在开关过程中的性能，如传播延迟、上升时间、下降时间等。例如，LO关断传播延迟在PWM模式下典型值为30ns，在独立输入模式下典型值为27ns至38ns。这些参数对于高速开关应用非常重要，能够影响系统的整体性能。

（六）质量一致性检验

该系列器件遵循MIL - STD - 883标准的方法5005进行质量一致性检验，包括不同温度下的静态测试、动态测试和功能测试等。通过这些检验，确保器件的质量和可靠性符合要求。

（七）典型特性

典型特性曲线展示了器件在不同条件下的性能变化趋势，如输出电压随输入电压的变化、传播延迟随温度的变化等。这些曲线可以帮助工程师更好地理解器件的性能，在设计中进行合理的参数选择和优化。

七、详细工作原理

（一）输入电压

在稳态运行期间，TPS7H60x5的输入电压必须在10V至14V之间。该电压为两个低侧线性稳压器BP5L和BP7L提供输入，同时也用于为外部高侧自举电容充电。为了获得最佳性能，需要在VIN和AGND之间添加旁路电容，并且该电容应尽可能靠近栅极驱动器放置，其值通常至少是自举电容值的十倍。

（二）线性稳压器操作

该器件包含三个内部线性稳压器：BP5L、BP7L和BP5H。BP5L和BP7L位于低侧，分别提供5V和7V的标称输出电压，用于为低侧逻辑电路和栅极驱动提供电源。BP5H位于高侧，以BOOT引脚的电压为输入，为高侧逻辑电路和外部FET提供5V的栅极电压。每个稳压器都需要一个最小为1μF的电容连接到相应的地引脚。

（三）自举操作

1. 自举充电：TPS7H60x5提供了多种自举电容充电方式：
   • 通过内部自举开关充电：内部自举开关连接在VIN和BST引脚之间，外部自举二极管连接在BST和BOOT之间。该开关仅在低侧驱动器输出开启时导通，可减少自举电容上的最大电压。
   • 直接从VIN充电：这是一种更传统的方法，适用于低侧FET开启不即时的情况。在这种情况下，可以通过在自举电容串联电阻、并联齐纳二极管或两者结合的方式来防止自举电容过充电。
   • 双充电方式：结合了内部自举开关和直接从VIN充电的方法，既能避免启动时的自举充电问题，又能利用内部开关在正常运行时降低自举电压。但这种方式会增加元件数量。
2. 自举电容：外部自举电容连接在BOOT和ASW之间，其电压作为高侧线性稳压器BP5H的输入。一般来说，自举电容的值应至少是高侧GaN FET栅极电容的10倍。更精确的计算可以根据总栅极电荷、静态电流、最大占空比、开关频率和允许的最大电压降等参数进行。
3. 自举二极管：自举二极管需要能够承受施加到半桥转换器功率级的输入电压，并且能够处理启动期间的峰值瞬态电流。建议使用快速恢复二极管，并确保其正向电压降不会触发BP5H稳压器的欠压锁定。
4. 自举电阻：自举电阻用于限制栅极驱动器启动时的峰值电流和控制BOOT引脚的压摆率。建议使用至少2Ω的电阻，但该电阻与自举电容会引入时间常数，需要检查充电和刷新自举电容电荷所需的时间是否符合要求。

（四）高侧驱动器启动

为了使高侧驱动器正常启动，BOOT到SW的电压必须大于BOOT UVLO上升阈值（典型值为6.4V）。在半桥转换器配置中，如果输出存在预偏置电压，自举电容可能无法在输出电压充分放电之前从VIN充电。在VIN发生欠压恢复时也会出现类似问题。可以通过在转换器输出端添加放电电路来解决这个问题。

（五）输入和输出

输入引脚PWM_LI和EN_HI具有约200kΩ的内部下拉电阻，其功能取决于栅极驱动器的工作模式。在PWM模式下，PWM_LI作为单PWM控制信号的输入引脚，EN_HI作为驱动器的使能引脚；在独立输入模式下，PWM_LI作为低侧输入，EN_HI作为高侧输入。输入信号的电压应不超过14V，并且建议使用压摆率大于2V/μs的输入信号。

输出采用分离式设计，高侧有HOH和HOL（源和灌输出），低侧有LOH和LOL（源和灌输出）。这些输出能够分别提供1.3A的源电流和2.5A的灌电流，通过在输出路径中添加额外的阻抗，可以独立调节GaN器件的开启和关断速度。

（六）死区时间

在PWM模式下，需要在DLH和DHL引脚连接到AGND的电阻来编程死区时间。DHL电阻设置高侧输出（HO）关断到低侧输出（LO）开启之间的死区时间，DLH电阻设置低侧输出（LO）关断到高侧输出（HO）开启之间的死区时间。死区时间的选择需要谨慎，以防止高侧和低侧开关之间的交叉导通，同时最小化该期间的损耗。

（七）输入互锁保护

在独立输入模式下，TPS7H60x5可以配置输入互锁保护。激活该保护时，DHL连接到5V，DLH连接一个阻值在100kΩ至220kΩ之间的电阻到AGND。该保护旨在防止半桥配置中GaN FET的直通现象，提高功率级的鲁棒性和可靠性。当两个输入都为高电平时，内部逻辑会将两个输出都关闭，直到其中一个输入变为低电平。

（八）欠压锁定和电源正常（PGOOD）

该器件在BP5L、BP7L、BP5H、BOOT和VIN上都有欠压锁定（UVLO）功能。当任何低侧线性稳压器或VIN的输出电压低于UVLO阈值时，PWM输入将被忽略，以防止GaN FET部分导通。此时，UVLO会主动将LO和HO拉低。当低侧稳压器和VIN都高于各自的UVLO阈值，但高侧UVLO触发时，只有HO会被拉低。

PGOOD引脚用于指示任何低侧线性稳压器是否进入欠压锁定状态。当所有低侧稳压器和VIN都超过各自的上升UVLO阈值时，该引脚置高；当其中任何一个低于相应的下降UVLO阈值时，该引脚置低。建议在PGOOD和BP5L之间连接一个10kΩ的上拉电阻。

（九）负SW电压瞬态

由于增强型GaN FET的对称结构，在反向导通期间，开关节点引脚（ASW和PSW）会出现负电压瞬态。这可能导致自举电压过高，因此需要确保BOOT到SW的电压差不超过绝对最大值。一般情况下，BOOT会瞬间跟随SW，但可以在BOOT和SW之间使用外部齐纳二极管来钳位自举电压。

（十）电平转换器

TX和RX电平转换器用于在低侧输入和以高电压开关节点（ASW）为参考的高侧驱动器级之间进行接口，实现对HO输出的控制。高侧和低侧信号路径中的电平转换器具有相同的特性，能够提供出色的延迟匹配（典型值为5.5ns）。

八、应用和设计要点

（一）应用信息

TPS7H60x5系列主要用于优化空间环境中GaN FET的控制，适用于高频、高效率的空间级转换器设计。它具有集成的5V线性稳压器，为高低侧的栅极电压提供稳定的电源，确保GaN FET的可靠性。该系列驱动器适用于多种常见的转换器拓扑，如半桥、推挽、有源钳位正激和双开关正激等。

该器件能够与传统的辐射硬化PWM控制器和新型设备（如TPS7H5001 - SP或TPS7H5005 - SEP）配合使用，其输入引脚能够接受高达14V的信号，并且提供PWM模式和独立输入模式两种工作模式，满足不同用户的需求。

（二）典型应用示例

以TPS7H6005在高压同步降压转换器中的应用为例，详细介绍设计过程：

1. 设计要求：
   • 电源级输入电压：100V
   • 输出电压：28V
   • 输出电流：10A
   • 开关频率：500kHz
   • 栅极驱动器输入电压：12V
   • 占空比：标称28%，最大约35%
   • 电感：15μH
   • GaN FET：EPC2307（仅用于评估）
   • 工作模式：PWM
2. 详细设计过程：
   • 自举和旁路电容：
     • 自举电容的选择需要确保其在正常运行期间能够维持在BOOT UVLO下降阈值以上。通过计算允许的最大电压降∆V_BOOT，确定自举电容的最小值，考虑到温度、电压和负载瞬变的影响，选择100nF的X7R电容。
     • VIN电容应至少是自举电容值的10倍，选择2.2μF和1μF的陶瓷X7R电容。同时，BP5H、BP5L和BP7L输出端应使用1μF的X7R陶瓷电容，并尽可能靠近相应引脚放置。
   • 自举二极管：自举二极管需要能够承受电源级输入电压，并且具有低正向电压降、低结电容和快速恢复时间。对于评估设置，选择了150V、1A额定的肖特基二极管，但实际应用中需要选择满足系统性能和辐射要求的二极管。
   • BP5x过冲和欠冲：由于PCB布局和GaN FET的寄生电感和电容，在开关过程中可能会导致栅极驱动波形出现振荡，从而超过所选GaN FET的绝对最大VGS额定值。为了减轻振荡幅度，需要将驱动器靠近GaN FET放置，并使用栅极电阻。
   • 栅极电阻：TPS7H6005的分离式输出允许在GaN FET的开启和关断路径中串联电阻，用于抑制寄生电感和电容引起的振荡，同时也可以调节驱动强度。对于该设计，选择2Ω的电阻，并根据相关公式计算高侧和低侧的峰值源电流和灌电流。
   • 死区时间电阻：在PWM模式下，需要选择合适的死区时间电阻来设置高侧和低侧之间的死区时间，以避免交叉导通和最小化损耗。对于该应用，目标死区时间约为25ns，选择30kΩ的电阻。
   • **栅极驱动器损耗