TPS7H60x5系列辐射加固半桥GaN FET栅极驱动器：太空应用的理想之选

在电子工程领域，特别是太空应用场景中，对于高性能、高可靠性的电子元件需求极为迫切。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的TPS7H60x5系列辐射加固半桥GaN FET栅极驱动器，看看它是如何在太空环境中发挥出色性能的。

文件下载：tps7h6015-sp.pdf

一、产品概述

TPS7H60x5系列包括TPS7H6005（200V额定值）、TPS7H6015（60V额定值）和TPS7H6025（22V额定值）三款产品。它们采用56引脚的HTSSOP塑料封装，有QMLP和SEP两种器件等级可供选择。该系列驱动器专为高频、高效和大电流应用而设计，可用于基于GaN的功率转换器设计。

二、产品特性

2.1 出色的辐射性能

• 总电离剂量（TID）耐受性：辐射加固保证（RHA）高达100krad(Si)的总电离剂量，这使得它在辐射环境中能保持稳定的性能。
• 单粒子效应免疫：对单粒子瞬态（SET）、单粒子烧毁（SEB）和单粒子栅极破裂（SEGR）免疫，线性能量转移（LET）高达75 MeV - cm² / mg。同时，对SET和单事件功能中断（SEFI）的特性表征也达到了LET = 75 MeV - cm² / mg。

2.2 强大的驱动能力

具有1.3A的峰值源电流和2.5A的峰值灌电流，能够为GaN FET提供足够的驱动能力。

2.3 灵活的工作模式

• PWM模式：单PWM输入，可调节死区时间，适用于同步降压转换器。
• 独立输入模式（IIM）：两个独立输入，可独立控制高低侧，还可选择输入互锁保护，适用于多种应用场景。

2.4 快速的响应时间

典型传播延迟为30ns，典型延迟匹配为5.5ns，能够实现快速的开关动作。

2.5 宽温度范围

适用于军事温度范围（–55°C至125°C），满足太空等恶劣环境的要求。

三、应用场景

3.1 太空卫星电源

在太空卫星电源系统中，需要高度可靠的电源转换设备。TPS7H60x5系列的辐射加固特性和高效性能，能够确保卫星电源系统在辐射环境下稳定运行。

3.2 电机驱动

在电机驱动应用中，该系列驱动器可以提供快速的开关速度和精确的控制，提高电机的效率和性能。

3.3 反应轮

反应轮是卫星姿态控制的重要部件，TPS7H60x5系列能够为反应轮提供稳定的驱动，确保卫星姿态的精确控制。

四、详细设计要点

4.1 输入电压

在稳态运行时，输入电压VIN应在10V至14V之间。为了获得最佳性能，建议在VIN和AGND之间添加一个旁路电容，该电容值通常至少是自举电容值的10倍。

4.2 线性稳压器操作

该系列驱动器包含三个内部线性稳压器：BP5L、BP7L和BP5H。BP5L和BP7L为低侧提供5V和7V的输出电压，BP5H为高侧提供5V的输出电压。每个稳压器的输出都需要连接一个至少1μF的电容。

4.3 自举操作

4.3.1 自举充电

TPS7H60x5提供了多种自举电容充电方式，包括通过内部自举开关充电、直接通过VIN充电和双充电方式。在选择充电方式时，需要根据具体应用场景进行权衡。

4.3.2 自举电容

自举电容连接在BOOT和ASW之间，其值应至少是高侧GaN FET栅极电容的10倍。可以通过公式计算所需的最小自举电容值。

4.3.3 自举二极管

自举二极管需要能够承受输入电压，并满足一定的条件，以确保BP5H稳压器不会触发欠压锁定。

4.3.4 自举电阻

自举电阻用于限制启动时的峰值电流和控制BOOT的压摆率，建议使用至少2Ω的电阻。

4.4 输入和输出

输入引脚PWM_LI和EN_HI具有内部下拉电阻，其功能根据工作模式的不同而变化。输出采用分裂输出结构，可独立调节GaN FET的开关速度。

4.5 死区时间

在PWM模式下，需要在DLH和DHL引脚连接电阻来编程死区时间，以防止高低侧开关的交叉导通。

4.6 输入互锁保护

在独立输入模式下，可以配置输入互锁保护，以防止半桥配置中GaN FET的直通现象。

4.7 欠压锁定和电源良好（PGOOD）

该系列驱动器具有欠压锁定保护功能，当内部稳压器或VIN、BOOT电压低于阈值时，会采取相应的保护措施。PGOOD引脚用于指示低侧线性稳压器是否进入欠压锁定状态。

4.8 负SW电压瞬变

在反向导通期间，GaN FET的源 - 漏电压可能较高，需要注意防止BOOT电压超过绝对最大值。可以使用外部齐纳二极管来钳位自举电压。

五、典型应用案例

以TPS7H6005在高压同步降压转换器中的应用为例，详细介绍了设计过程，包括自举和旁路电容的选择、自举二极管的选择、BP5x过冲和下冲的处理、栅极电阻的选择、死区时间电阻的选择以及栅极驱动器损耗的计算等。

六、设计建议

6.1 电源供应

建议使用10V至14V的偏置电源电压，输入电压应良好调节并适当旁路。BOOT电压应在8V至14V之间，以确保高侧驱动器正常工作。

6.2 布局

• 尽量将GaN FET靠近栅极驱动器放置，以减小环路电感和噪声耦合。
• 最小化自举充电路径的环路面积。
• 将所有旁路电容靠近相应的引脚放置，建议使用低ESR和低ESL的陶瓷电容。
• 分离电源走线和信号走线，避免信号重叠。
• 使用短而低电感的路径连接PSW和PGND。
• 在GaN FET附近放置低ESR电容，以防止输入电源总线的过度振荡。

七、总结

TPS7H60x5系列辐射加固半桥GaN FET栅极驱动器凭借其出色的辐射性能、灵活的工作模式、快速的响应时间和丰富的保护功能，成为太空应用以及其他对可靠性要求极高的应用场景的理想选择。在设计过程中，我们需要根据具体应用需求，合理选择充电方式、电容、二极管和电阻等元件，并注意布局和电源供应等方面的问题，以确保驱动器的最佳性能和可靠性。

各位工程师朋友，在实际应用中，你们是否遇到过类似的设计挑战？对于TPS7H60x5系列驱动器，你们有什么独特的见解和经验呢？欢迎在评论区分享交流。