TPS7H60x5系列辐射加固半桥GaN FET栅极驱动器深度解析

在电子工程师的日常设计工作中，尤其是涉及到空间应用等对可靠性和抗辐射性能要求极高的领域，一款性能卓越的栅极驱动器至关重要。今天我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的TPS7H60x5系列辐射加固半桥GaN FET栅极驱动器。

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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。它们均采用56引脚的HTSSOP塑料封装，并且有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，具有30ns（典型值）的传播延迟以及5.5ns（典型值）的高端到低端延迟匹配，能有效提升系统性能。

二、产品特性亮点

（一）出色的抗辐射性能

这是该系列驱动器的一大核心优势。它具备高达100krad(Si)的总电离剂量（TID）辐射加固保证（RHA）能力，能够在辐射环境下稳定工作。同时，对线性能量转移（LET）为75 MeV - cm² / mg的单事件瞬态（SET）、单事件烧毁（SEB）和单事件栅极破裂（SEGR）具有免疫能力，并且对LET高达75 MeV - cm² / mg的单事件瞬态（SET）和单事件功能中断（SEFI）进行了特性表征。这使得它在空间卫星等辐射环境恶劣的应用中表现出色，大大提高了系统的可靠性。

（二）强大的电流驱动能力

该驱动器具有1.3A的峰值源电流和2.5A的峰值灌电流，能够为GaN FET提供足够的驱动电流，确保其快速、稳定地开关，从而提高整个功率转换电路的效率和性能。

（三）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模式和两个独立输入模式。在单PWM输入模式下，可通过调节死区时间来优化电路性能；在独立输入模式下，可实现对高端和低端的独立控制，还能选择输入互锁保护功能，进一步增强了系统的灵活性和安全性。

（四）可调节的开关时间

采用分裂输出设计，能够独立调节GaN FET的导通和关断时间。通过在导通或关断路径上添加额外的阻抗，可以灵活调整开关速度，满足不同应用场景的需求。

（五）良好的延迟特性

在独立输入模式下，典型传播延迟仅为30ns，且延迟匹配典型值为5.5ns。这种低延迟和精准的延迟匹配特性有助于提高电路的开关速度和同步性，减少开关损耗和干扰。

（六）宽温度范围和封装特性

产品适用于军事温度范围（–55°C至125°C），能够在极端温度环境下正常工作。其塑料封装经过ASTM E595标准的脱气测试，确保在真空环境下也能稳定可靠。

三、应用领域广泛

（一）空间卫星电源

在空间卫星电源系统中，对电源的可靠性和抗辐射性能要求极高。TPS7H60x5系列驱动器凭借其出色的抗辐射能力和高性能的驱动特性，能够为卫星电源提供稳定、高效的驱动，确保卫星在太空辐射环境下正常运行。

（二）电机驱动

在电机驱动应用中，需要精确控制电机的转速和转矩。该驱动器的灵活工作模式和可调节的开关时间能够满足电机驱动系统的多样化需求，实现对电机的精准控制，提高电机的运行效率和稳定性。

（三）反作用轮

反作用轮是卫星姿态控制的关键部件，对驱动器的性能和可靠性要求严格。TPS7H60x5系列驱动器能够为反作用轮提供稳定的驱动信号，确保其精确地调整卫星的姿态，提高卫星的姿态控制精度。

（四）通信和光学成像有效载荷

在通信和光学成像有效载荷中，对电源的稳定性和高频性能要求较高。该驱动器的高频特性和低延迟特性能够满足这些应用的需求，为通信和成像设备提供稳定、高效的电源支持，提高设备的性能和可靠性。

四、详细设计要点

（一）电源供应

推荐的偏置电源电压范围为10V至14V，输入电压应经过良好的稳压和旁路处理，以确保最佳的电气性能。BOOT电压应保持在8V至14V之间，要尽量减小自举充电路径上的电压降，防止高端驱动器意外进入欠压锁定状态。在VIN和AGND引脚之间应放置一个本地旁路电容，自举电容应放置在BOOT和ASW引脚之间，并且要尽可能靠近器件。建议使用低ESR、低ESL的陶瓷表面贴装电容（如X7R或更好的材质）。

（二）线性稳压器

驱动器内部包含三个线性稳压器：BP5L、BP7L和BP5H。BP5L和BP7L位于低端，分别提供5V和7V的标称输出电压，用于为低端逻辑电路和驱动器供电；BP5H位于高端，以BOOT电压为输入，为高端逻辑电路和外部FET提供5V的栅极电压。每个稳压器的输出端都需要连接一个至少1μF的电容，并且除了文档中指定的位置外，不建议对这些稳压器进行外部加载。

（三）自举电路

自举电路对于高端栅极驱动器的正常工作至关重要。驱动器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、直接从VIN充电以及双充电方式。在选择自举组件时，需要考虑多个因素。自举电容的选择应遵循其值至少为高端GaN FET栅极电容的10倍的原则，并且要根据具体应用计算其最小容量。自举二极管应选择能够承受输入电压、处理启动期间峰值瞬态电流、具有低正向电压降、低结电容和快速恢复时间的器件。自举电阻的作用是限制启动期间的峰值电流和控制BOOT端的压摆率，建议使用至少2Ω的电阻。

（四）输入和输出

输入引脚PWM_LI和EN_HI具有约200kΩ（典型值）的内部下拉电阻，其功能根据驱动器的工作模式而有所不同。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和EN_HI分别作为低端和高端的输入引脚。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。驱动器的高端和低端均采用分裂输出设计，分别为HOH、HOL和LOH、LOL。这些输出能够提供1.3A的源电流和2.5A的灌电流（典型值），并且可以通过在GaN器件的导通或关断路径上添加额外的阻抗来独立调整开关时间。

（五）死区时间

在PWM模式下，需要在DLH和DHL引脚连接电阻到AGND来编程死区时间。DHL电阻设置高端输出（HO）关断到低端（LO）输出导通之间的死区时间，DLH电阻设置低端（LO）关断到高端（HO）导通之间的死区时间。死区时间的选择要谨慎，以防止高端和低端开关之间的交叉导通，同时尽量减少这段时间内的损耗。推荐使用公差为1%或更好的电阻。

（六）输入互锁保护

在独立输入模式下，驱动器可以配置输入互锁保护功能。当启用互锁保护时，将DHL连接到5V，DLH通过一个阻值在100kΩ至220kΩ之间的电阻连接到AGND。这种保护机制可以防止半桥配置中GaN FET的直通现象，提高功率级的鲁棒性和可靠性。在保护启用且两个输入均为逻辑高电平时，内部逻辑会将两个输出关闭，直到其中一个输入变为低电平，输出才会跟随输入逻辑。为了提高在噪声环境中的鲁棒性，可以在驱动器的输入端使用小滤波器。

（七）欠压锁定和电源良好指示

驱动器对内部稳压器以及VIN和BOOT电压提供欠压锁定保护。当任何一个低端线性稳压器或VIN的输出电压低于欠压锁定阈值时，PWM输入将被忽略，以防止GaN FET部分导通。当高端欠压锁定触发时，只有高端输出会被拉低。PGOOD引脚用于指示低端线性稳压器是否进入欠压锁定状态。当所有低端稳压器和VIN的电压超过各自的上升欠压锁定阈值时，PGOOD引脚进入逻辑高电平状态；当任何一个线性稳压器或VIN的电压低于相应的下降欠压锁定阈值时，PGOOD引脚保持或变为逻辑低电平。建议在PGOOD引脚和BP5L之间连接一个10kΩ的上拉电阻。

（八）负SW电压瞬变处理

虽然增强型GaN FET不像硅FET那样具有体二极管，但由于其对称的器件结构，能够进行反向传导。在反向传导期间，SW引脚可能会出现负电压瞬变，这可能导致自举电压过高。为了避免这种情况，需要确保BOOT到SW的最大电压差不超过绝对最大值16V。可以在BOOT和SW之间使用外部齐纳二极管来钳位自举电压，使其保持在可接受的范围内。

五、布局设计建议

（一）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。这样可以将为GaN FET栅极充电和放电的峰值电流限制在印刷电路板上的最小物理区域内，从而减少噪声耦合问题，提高电路的稳定性和性能。

（二）优化自举充电路径

由于自举充电路径可能包含高峰值电流，因此需要尽量减小其环路面积。根据所选的自举充电方法，合理放置自举电容和二极管，以确保充电过程的高效和稳定。

（三）合理放置旁路电容

将所有旁路电容（如VIN到AGND、BP5L到AGND、BP5H到ASW、BOOT到ASW）尽可能靠近器件和相应的引脚放置。建议使用低ESR和低ESL的电容，并且如果可能的话，将这些电容放置在印刷电路板与栅极驱动器相同的一侧，以提高旁路效果。

（四）分离电源和信号走线

在印刷电路板设计中，应将电源走线和信号走线分开，尽量减少不同层上信号的重叠。这样可以避免电源噪声对信号的干扰，提高电路的抗干扰能力。

（五）缩短连接路径

使用短且低电感的路径将PSW连接到高端FET源极，将PGND连接到低端FET源极，以减少开关期间寄生电感对驱动器的影响，防止出现过大的负电压瞬变。

（六）加强去耦措施

为了防止输入电源总线上出现过大的振铃现象，需要在GaN FET附近放置低ESR电容，以提供良好的去耦效果，稳定电源电压。

六、总结

TPS7H60x5系列辐射加固半桥GaN FET栅极驱动器凭借其出色的抗辐射性能、强大的电流驱动能力、灵活的工作模式和可调节的开关时间等优点，成为空间卫星电源、电机驱动等应用领域的理想选择。在设计过程中，工程师需要充分考虑电源供应、线性稳压器、自举电路、输入输出、死区时间、输入互锁保护、欠压锁定等多个方面的因素，并遵循合理的布局设计建议，以充分发挥该驱动器的性能优势，设计出高效、可靠的功率转换电路。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。