TI TPS7H60x3-SP：适用于太空应用的氮化镓场效应晶体管栅极驱动器

引言

在电子工程师的设计领域中，尤其是涉及到太空应用时，对器件的性能、稳定性和抗辐射能力有着极高的要求。德州仪器（TI）的TPS7H60x3-SP系列辐射加固（RHA）氮化镓（GaN）场效应晶体管（FET）栅极驱动器就是为满足这些苛刻需求而设计的。该系列产品包括TPS7H6003-SP（额定200V）、TPS7H6013-SP（额定60V）和TPS7H6023-SP（额定22V），为高频、高效应用提供了出色的解决方案。

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核心特性

辐射性能卓越

在太空环境中，辐射是影响电子器件性能和寿命的关键因素。TPS7H60x3-SP系列具有出色的辐射性能，能够承受高达100krad(Si)的总电离剂量（TID）辐射。同时，它对单粒子锁定（SEL）、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，在LET = 75 MeV - cm²/mg的条件下对单粒子瞬态（SET）和单粒子功能中断（SEFI）也有良好的表现。这使得它能够在太空辐射环境下稳定可靠地工作，大大提高了系统的整体可靠性。

强大的电流驱动能力

该系列驱动器具有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，从而实现高效的功率转换。

灵活的工作模式

• 单PWM输入模式：具有可调节的死区时间，适合需要精确控制开关时间的应用场景。
• 双独立输入模式：提供了更大的灵活性，可以独立控制高侧和低侧的输出。在双独立输入模式下，还可以选择输入互锁保护功能，防止上下桥臂同时导通，增强了系统的安全性。

快速的响应时间

在独立输入模式下，典型传播延迟仅为30ns，并且具有5.5ns的典型延迟匹配，能够实现快速、准确的开关控制，减少开关损耗，提高系统效率。

独立的开关时间调节

采用了分离式输出设计，可分别调整开启和关闭时间，工程师可以根据具体应用需求优化驱动信号，提高系统性能。

应用领域广泛

太空卫星电源系统

太空卫星对电源系统的可靠性和效率要求极高。TPS7H60x3-SP系列可以应用于卫星电源的各个模块，如通信有效载荷、命令和数据处理单元、光学成像有效载荷以及卫星电力系统等，为卫星的稳定运行提供可靠的电源支持。

高频、高效电源转换器

由于其快速的开关速度和低损耗特性，该系列驱动器非常适合用于设计高频、高效的电源转换器，如同步降压转换器、全桥转换器等，能够提高电源的功率密度和效率。

技术细节剖析

输入电压与线性稳压器

在稳态运行时，TPS7H60x3-SP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，同时还用于为外部高侧自举电容充电。为了获得最佳性能，建议在VIN和AGND之间添加一个旁路电容，并且该电容应尽可能靠近栅极驱动器放置，通常其值至少是自举电容值的十倍。

内部集成了三个线性稳压器：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。BP5L用于为低侧逻辑电路和低侧栅极驱动电压供电，其精度为5V ± 3.5%，以确保为GaN FET提供合适的驱动电压。BP7L则为驱动器内的低侧发射器供电。在高侧，BOOT引脚的电压作为高侧线性稳压器BP5H的输入，该稳压器为高侧逻辑电路供电，并为外部FET提供5V ± 3.5%的高侧栅极电压。每个线性稳压器的输出引脚都需要连接一个至少1μF的电容，以确保稳定的输出。

自举电路设计

为了在半桥配置中为高侧栅极驱动器电路提供电源，TPS7H60x3-SP需要使用自举电路。自举电容的选择对于栅极驱动器的正常运行至关重要，一般建议其值至少是高侧GaN FET栅极电容的10倍。自举电容的充电方式有多种选择：

• 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（阳极）和BOOT（阴极）之间。只有当低侧驱动器输出导通时，自举开关才会导通，这样可以减少自举电容上的最大电压。内部自举开关具有1kΩ的并联电阻，在启动前可以缓慢充电自举电容。
• 直接从VIN充电：这是半桥驱动器常用的充电方法，对于低侧FET不能立即导通的情况尤为有用。例如，在使用TPS7H60x3-SP与TPS7H500x-SP系列中的某些控制器时，由于同步整流输出在软启动期间被禁用，自举电容无法通过内部自举开关充电，此时可以选择直接从VIN充电。为了防止自举电容过充，可以在自举电容串联一个电阻、并联一个齐纳二极管或两者结合使用。
• 双充电模式：结合了自举开关和直接从VIN充电的方法，既可以避免启动时由于低侧FET未导通而导致的自举充电问题，又可以利用内部开关在正常运行时降低自举电压。但这种模式需要额外的元件，增加了成本和电路板空间。

死区时间设置

在PWM模式下，需要在DLH和DHL引脚连接到AGND的电阻来设置死区时间。DHL引脚的电阻设置高侧输出（HO）关断到低侧（LO）输出导通之间的死区时间，DLH引脚的电阻设置低侧（LO）关断到高侧（HO）导通之间的死区时间。通过合理选择电阻值，可以在5ns至100ns的范围内设置死区时间，以防止上下桥臂同时导通，减少开关损耗。

输入互锁保护

在独立输入模式下，TPS7H60x3-SP可以配置输入互锁保护功能。要启用该功能，需要将DHL连接到BP5L，同时在DLH和AGND之间连接一个阻值在100kΩ至220kΩ之间的电阻。该功能可以防止半桥配置中的GaN FET发生直通现象，提高功率级的稳健性和可靠性。当两个输入都为逻辑高电平时，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，输出才会跟随输入逻辑变化。

欠压锁定和电源良好指示

TPS7H60x3-SP在BP5L、BP7L、BP5H、BOOT和VIN上都具有欠压锁定（UVLO）功能。当任何一个低侧线性稳压器或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之一被触发时，只有HO会被拉低。

此外，该驱动器还有一个电源良好（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，PGOOD引脚进入逻辑高电平状态；如果其中任何一个线性稳压器或VIN低于相应的下降UVLO阈值，PGOOD引脚将变为或保持逻辑低电平。建议在PGOOD和BP5L之间连接一个10kΩ的上拉电阻。

典型应用案例

以一个高电压同步降压转换器为例，详细介绍TPS7H6003-SP的应用设计。

设计要求

• 功率级输入电源电压：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

详细设计步骤

自举和旁路电容选择

自举电容需要在正常运行期间保持电压高于BOOT UVLO下降阈值。首先计算自举电容上的最大允许电压降∆VBOOT： [∆VBOOT ≈ VIN - (n × VF) - VBOOT_UVLO = 12V - (1 × 0.9V) - 6.65V = 4.35V] 为了留出足够的余量并考虑到自举电阻上的额外电压降和负载瞬变，选择∆VBOOT为1.5V进行电容计算。 先计算总电荷量Qtotal： [Qtotal = Qg + IQBG × (DMAX / fSW) + (IQHS / fSW) = 10.6nC + 20μA × (0.35 / 500kHz) + (4mA / 500kHz) = 18.6nC] 再计算自举电容值CBOOT： [CBOOT ≥ Qtotal / ∆VBOOT = 18.6nC / 1.5V = 12.4nF] 考虑到电容随温度和施加电压的变化以及可能的负载瞬变影响，选择100nF的X7R电容。

VIN电容需要大于自举电容，一般建议至少是自举电容值的十倍，因此选择2.2μF和1μF的陶瓷X7R电容。同时，BP5H、BP5L和BP7L输出端也应选择高质量的1μF X7R陶瓷电容，并尽可能靠近相应引脚放置。

自举二极管选择

自举二极管需要有足够的耐压能力，以阻挡同步降压应用中功率转换器的功率级输入电压。当功率级输入电压较高时，可能需要串联多个二极管。此外，二极管还需要能够承受栅极驱动器启动期间的峰值电流，并且具有低正向电压降、低结电容和快速恢复时间。对于该评估设置，选择了一个150V、1A额定的肖特基二极管，其结电容为110pF。

防止BP5x过冲和欠冲

尽管TPS7H6003-SP内部有高侧和低侧线性稳压器（BP5H和BP5L）来提供稳定的栅极驱动电压，但PCB布局和GaN FET的寄生电感和电容可能会导致开关期间栅极驱动波形出现瞬态振铃。这种振铃可能会导致电压峰值超过所选GaN FET的绝对最大VGS额定值，或者在关断期间违反最小VGS额定值。为了减轻振荡幅度并避免过度振铃，驱动器应尽可能靠近被驱动的GaN FET放置，并且可以使用栅极电阻。在该设计中，选择2Ω的电阻用于开启和关断栅极路径。

栅极电阻选择

TPS7H6003-SP的分离式输出允许在GaN FET的栅极开启和关断路径中串联电阻。这些栅极电阻可以抑制由寄生电容和电感引起的器件栅极振铃，同时也可以调整驱动器的驱动强度。通过计算可以得到高侧和低侧的峰值源电流和灌电流：

• 高侧峰值源电流[IOHH ≈ 1.3A]
• 高侧峰值灌电流[IOLH = 2.0A]
• 低侧峰值源电流和灌电流与高侧相同。

死区时间电阻计算

在PWM模式下，需要设置两个独立的死区时间：LO关断到HO导通之间的死区时间TDLH和HO关断到LO导通之间的死区时间TDHL。对于该应用，目标死区时间约为25ns。根据公式计算得到RHL和RLH的值：

• (RHL = 1.077 × T_{DHL} + 1.812 = (1.077 × 25ns) + 1.812 = 28.74kΩ)
• (RLH = 1.064 × T_{DLH} - 0.630 = (1.064 × 25ns) - 0.630 = 25.97kΩ) 实际使用中选择30kΩ的电阻用于RHL和RLH。

栅极驱动器损耗计算

栅极驱动器的功率损耗包括静态功率损耗、泄漏电流功率损耗和GaN FET栅极充电和放电损耗等。通过相关公式计算得到该设计中的各种损耗值，最终总驱动损耗为11mW，同时考虑到驱动器自身的工作电流消耗，总功耗约为122mW。

应用曲线分析

通过实际测试得到的100V、500kHz开关节点信号和500kHz栅极驱动器输出信号曲线，可以直观地观察到TPS7H6003-SP在该应用中的性能表现，验证了设计的合理性和有效性。

电源供应与布局建议

电源供应

TPS7H60x3-SP的推荐偏置电源电压范围为10V至14V，输入电压应经过良好的调节和适当的旁路，以获得最佳电气性能。BOOT电压应在8V至14V之间，并且要尽量减少自举充电路径上的电压降，以防止高侧驱动器在正常运行期间意外进入欠压锁定状态。建议在VIN和AGND引脚之间放置一个本地旁路电容，在BOOT和ASW引脚之间放置自举电容，并且这些电容应尽可能靠近器件。同时，推荐使用低ESR、低ESL的陶瓷表面贴装电容（如X7R或更好的型号）。

布局设计

由于增强型GaN FET的小栅极电容和米勒电容使其能够实现快速开关速度，但同时也带来了高dv/dt和di/dt以及低栅极阈值电压和有限的栅极电压裕量等问题，因此电路布局对于实现最佳性能至关重要。以下是一些布局建议：

• 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，并通过将为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，减少噪声耦合问题。
• 优化自举充电路径：自举充电路径可能包含高峰值电流，因此应尽量减小其环路面积。根据所选的充电方法，合理放置自举电容和二极管。
• 合理放置旁路电容：所有旁路电容（如VIN到AGND、BP5L到AGND、BP5H到ASW、BOOT到ASW）应尽可能靠近器件和相应引脚放置。建议使用低ESR和ESL的电容，并尽量将它们放在与栅极驱动器相同的印刷电路板一侧。
• 分离电源和信号走线：将电源走线和信号走线分开，并尽量减少不同印刷电路板层上信号的重叠，以减少干扰。
• 减少寄生电感影响：高侧FET和低侧FET源极串联的寄生电感可能会在开关期间对驱动器施加过大的负电压瞬变。因此，应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。
• 防止输入电源总线振铃：为了防止输入电源总线上出现过度振铃，需要在GaN FET附近放置低ESR电容进行去耦。

总结

TI的TPS7H60x3-SP系列辐射加固GaN FET栅极驱动器凭借其卓越的辐射性能、强大的电流驱动能力、灵活的工作模式和快速的响应时间，为太空应用和高频、高效电源转换器设计提供了理想的解决方案。在实际应用中，通过合理选择和设计相关的外部元件，如自举电容、二极管、栅极电阻和死区时间电阻等，并遵循正确的电源供应和布局原则，可以充分发挥该系列驱动器的性能优势，实现可靠、高效的系统设计。对于电子工程师来说，深入了解和掌握TPS7H60x3-SP的特性和应用方法，将有助于在复杂的电子设计领域中取得更好的成果。你在使用类似栅极驱动器的过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。