TPS7H60x5系列半桥GaN FET栅极驱动器：太空应用的理想之选

在电子工程领域，特别是太空应用中，对高性能、高可靠性的电子元件需求极高。德州仪器（TI）的TPS7H60x5系列辐射加固半桥GaN FET栅极驱动器，凭借其卓越的性能和丰富的功能，成为了众多工程师的首选。本文将深入探讨该系列驱动器的特点、应用及设计要点。

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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，均采用56引脚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、大电流应用而设计，适用于太空卫星电源、电机驱动、反应轮等多种太空应用场景。

二、关键特性

2.1 辐射性能卓越

• 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，能够在辐射环境下稳定工作。
• 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；SET和单粒子功能中断（SEFI）特性表征也达到了LET = 75 MeV - cm² / mg。

2.2 强大的驱动能力

• 高电流输出：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。
• 快速响应：独立输入模式下典型传播延迟为30ns，典型延迟匹配为5.5ns，确保了快速的开关响应。

2.3 灵活的工作模式

• 双工作模式：提供单PWM输入（可调节死区时间）和两个独立输入两种工作模式，满足不同应用需求。
• 输入互锁保护：在独立输入模式下，可选择输入互锁保护，防止上下桥臂同时导通，提高系统可靠性。

2.4 其他特性

• 可调节开关时间：采用分离输出，可独立调节导通和关断时间。
• 低功耗：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）。

三、应用案例

3.1 太空卫星电源

在太空卫星电源系统中，TPS7H60x5系列驱动器可用于同步降压转换器，通过PWM模式生成主输出和同步整流输出，实现高效的功率转换。同时，其辐射加固特性确保了在太空辐射环境下的可靠运行。

3.2 电机驱动

在电机驱动应用中，独立输入模式（IIM）可用于独立控制低侧和高侧，实现精确的电机控制。输入互锁保护功能可防止电机驱动过程中的短路故障，提高系统的安全性。

四、设计要点

4.1 电源供应

• 输入电压：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：为高侧驱动器供电的BOOT电压应在8V至14V之间，需尽量减小自举充电路径上的电压降，防止高侧驱动器进入欠压锁定状态。

4.2 自举电路设计

• 自举电容：自举电容连接在BOOT和ASW之间，其值应至少为高侧GaN FET栅极电容的10倍。可根据公式 (Q{total }=Q{g}+I{QBG} × frac{D{MAX}}{f{SW}}+frac{I{QHS}}{f_{SW}}) 计算所需的最小自举电容值。
• 自举二极管：自举二极管需能承受功率级输入电压，具有低正向电压降、低结电容和快速恢复时间。需满足 (V{IN}-left(n × V{F}right) geq V_{BOOT_UVLO }) 条件，避免触发BP5H调节器的欠压锁定。
• 自举电阻：推荐使用至少2Ω的自举电阻，以限制启动时的峰值电流和控制BOOT端的压摆率。

4.3 死区时间设置

在PWM模式下，需在DLH和DHL引脚连接到AGND的电阻来编程死区时间。可根据公式 (R{HL}=1.077× T{DHL}+1.812) 和 (R{LH}=1.077× T{DLH}+1.812) 计算所需的电阻值，以防止上下桥臂同时导通，同时最小化死区期间的损耗。

4.4 布局设计

• 元件布局：将GaN FET尽可能靠近栅极驱动器放置，减小整体环路电感和噪声耦合。自举电容和旁路电容应靠近相应引脚，且使用低ESR和低ESL的电容。
• 走线设计：分离电源走线和信号走线，避免不同层信号重叠。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。

五、总结

TPS7H60x5系列半桥GaN FET栅极驱动器以其卓越的辐射性能、强大的驱动能力和灵活的工作模式，为太空应用和其他对可靠性要求较高的应用提供了理想的解决方案。在设计过程中，工程师需根据具体应用需求，合理选择元件参数和布局方式，以确保系统的性能和可靠性。你在使用该系列驱动器时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。