TPS7H60x5系列辐射加固半桥GaN FET栅极驱动器深度解析

在电子工程师的设计生涯中，为特定应用选择合适的器件至关重要。对于那些需要在辐射环境下工作的高频、高效电源转换器设计，德州仪器（TI）的TPS7H60x5系列辐射加固半桥GaN FET栅极驱动器是一个值得深入研究的选择。今天，我们就来详细探讨一下这款器件的特性、应用以及设计要点。

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器件概述

TPS7H60x5系列包括TPS7H6005（200V额定值）、TPS7H6015（60V额定值）和TPS7H6025（22V额定值）三款器件。它们采用56引脚的HTSSOP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。

特性亮点

辐射性能卓越

在辐射环境中，器件的可靠性至关重要。TPS7H60x5系列具有出色的抗辐射性能，辐射加固保证（RHA）高达总电离剂量（TID）100krad(Si)。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。SET和单事件功能中断（SEFI）特性在LET = 75 MeV - cm² / mg时也有良好表现。

强大的驱动能力

驱动器具有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。

灵活的工作模式

提供两种工作模式：单PWM输入且死区时间可调，以及两个独立输入。在独立输入模式下，还可选输入互锁保护，为设计提供了更多的灵活性。

快速的响应时间

典型传播延迟仅30ns，高低侧匹配时间为5.5ns，能够实现快速的开关动作，提高系统效率。

其他特性

塑料封装经过ASTM E595标准的放气测试，适用于军事温度范围（–55°C至125°C）。

应用领域

空间卫星电源

在空间卫星电源系统中，辐射环境恶劣，对器件的可靠性要求极高。TPS7H60x5系列的抗辐射性能使其能够在这种环境下稳定工作，为卫星电源提供可靠的驱动。

电机驱动

电机驱动需要高效、快速的开关动作，该系列驱动器的高驱动能力和快速响应时间能够满足电机驱动的需求。

其他应用

还可用于反应轮、通信有效载荷、光学成像有效载荷等领域。

详细设计要点

电源供应

推荐的偏置电源电压范围为10V至14V，输入电压应稳定且经过适当的旁路处理。BOOT电压应在8V至14V之间，以确保高侧驱动器正常工作。同时，要在VIN和AGND引脚之间放置旁路电容，在BOOT和ASW引脚之间放置自举电容。

自举电路设计

自举电路是半桥配置中为高侧栅极驱动器供电的关键。自举电容的选择要根据具体应用进行计算，一般应至少为高侧GaN FET栅极电容的10倍。自举二极管要能够承受输入电压，并且在启动期间能够处理峰值瞬态电流。自举电阻的选择也很重要，建议至少为2Ω，以限制启动期间的峰值电流和控制BOOT引脚的压摆率。

输入输出配置

输入引脚PWM_LI和EN_HI具有内部下拉电阻，功能根据工作模式不同而变化。输出采用分裂输出，高低侧分别有源输出和灌输出，可独立调整GaN FET的开关时间。

死区时间设置

在PWM模式下，需要通过连接到AGND的电阻来编程死区时间，以防止高低侧开关之间的交叉导通，同时最小化死区期间的损耗。

输入互锁保护

在独立输入模式下，可配置输入互锁保护，通过连接DHL和DLH引脚来激活或禁用该功能，提高功率级的鲁棒性和可靠性。

欠压锁定和电源良好指示

器件具有欠压锁定（UVLO）功能，可保护内部调节器和VIN、BOOT电压。电源良好（PGOOD）引脚可指示低侧线性调节器是否进入欠压锁定状态。

负SW电压瞬态处理

虽然增强型GaN FET能够反向导通，但在反向导通期间，SW引脚可能会出现负电压瞬态。为了避免BOOT电压过高，可在BOOT和SW之间使用外部齐纳二极管进行钳位。

布局建议

减小环路电感

将GaN FET尽可能靠近栅极驱动器放置，以减小整体环路电感，减少噪声耦合问题。

优化自举充电路径

最小化自举充电路径的环路面积，确保自举电容和二极管的布局能够实现小环路面积。

合理放置旁路电容

将所有旁路电容（VIN到AGND、BP5L到AGND、BP5H到ASW、BOOT到ASW）尽可能靠近器件和相应引脚放置，推荐使用低ESR、低ESL的陶瓷电容。

分离功率和信号走线

分离功率走线和信号走线，减少不同层信号的重叠。

缩短连接路径

使用短而低电感的路径连接PSW到高侧FET源极，PGND到低侧FET源极，以减少开关期间的负电压瞬态。

做好去耦处理

在GaN FET附近放置低ESR电容，防止输入电源总线上出现过度的振铃。

总结

TPS7H60x5系列辐射加固半桥GaN FET栅极驱动器凭借其卓越的抗辐射性能、强大的驱动能力、灵活的工作模式和快速的响应时间，为电子工程师在辐射环境下的高频、高效电源转换器设计提供了一个优秀的选择。在设计过程中，我们需要根据具体应用需求，合理选择电源供应、自举电路组件、输入输出配置等，并遵循布局建议，以确保器件能够发挥最佳性能。希望本文能够对各位工程师在使用TPS7H60x5系列器件进行设计时有所帮助。大家在实际设计过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。