TPS7H60x3-SP：太空级氮化镓场效应晶体管栅极驱动器的性能与应用解析

在电子工程师的设计世界里，面对太空等极端环境下的电源设计需求，一款性能卓越的栅极驱动器至关重要。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，以其出色的性能和多样化的功能，成为太空级转换器设计的理想之选。

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一、核心特性：辐射抗性与电气性能兼备

1.1 辐射性能卓越

在太空环境中，辐射是电子设备面临的重大挑战。TPS7H60x3 - SP具备高达100krad(Si)的总电离剂量（TID）辐射加固保证，能有效抵御辐射对设备的损害。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 - cm^{2} / mg)，在单粒子瞬态（SET）和单粒子功能中断（SEFI）方面也有良好的表现，确保了在辐射环境下的稳定运行。

1.2 强大的电流驱动能力

该驱动器拥有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，满足高功率应用的需求。

1.3 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，以及两个独立输入模式。独立输入模式下还可选输入互锁保护，增强了电路的安全性和可靠性。此外，其分裂输出可调节导通和关断时间，典型传播延迟仅30ns，延迟匹配仅5.5ns，保证了信号的快速响应和精确控制。

二、应用领域：太空设备的可靠之选

TPS7H60x3 - SP广泛应用于太空卫星电源、通信有效载荷、命令和数据处理、光学成像有效载荷以及卫星电力系统等领域。在这些对可靠性和性能要求极高的应用中，其辐射抗性和电气性能优势得以充分发挥。

三、详细剖析：功能与设计要点

3.1 器件概述与差异

TPS7H60x3 - SP系列包括TPS7H6003 - SP（200V额定电压）、TPS7H6013 - SP（60V额定电压）和TPS7H6023 - SP（22V额定电压）三款产品，以满足不同的电压需求。每个驱动器都有可调死区时间能力、小的30ns传播延迟和5.5ns的高端和低端匹配，还包含内部高端和低端LDO，确保无论电源电压如何，驱动电压都为5V。

3.2 引脚配置与功能

其48引脚的CFP封装，各引脚功能明确。例如，BOOT引脚为高端线性稳压器的输入电压源，外部自举电容放置在BOOT和ASW之间；DHL和DLH引脚分别用于设置高端到低端和低端到高端的死区时间，在不同工作模式下有不同的应用；PGOOD引脚为电源良好指示引脚，可帮助工程师实时了解电路的工作状态。

3.3 电气特性与性能参数

从绝对最大额定值到推荐工作条件，再到热信息和电气特性，文档都给出了详细的数据。例如，VIN到AGND的绝对最大额定值为 - 0.3V至16V，推荐工作电压为10V至14V；在不同工作模式和测试条件下，驱动器的静态电流、动态电流、开关特性等都有明确的参数范围，这些参数为工程师的设计提供了重要的参考依据。

3.4 开关特性与典型曲线

开关特性方面，规定了不同工作模式下的传播延迟、上升时间、下降时间等参数，确保了驱动器在高速开关过程中的稳定性。典型曲线则直观地展示了输出电压、延迟时间、峰值电流等参数随输入电压、温度等因素的变化关系，帮助工程师更好地理解驱动器的性能特点。

四、工作模式：PWM与独立输入模式

4.1 PWM模式

在PWM模式下，EN_HI引脚用于使能设备，PWM_LI引脚接收单个PWM控制信号，驱动器生成互补输出信号。通过连接DHL和DLH到AGND的电阻，可以编程设置高端和低端输出之间的死区时间，适用于同步降压转换器等应用。

4.2 独立输入模式（IIM）

独立输入模式下，PWM_LI和EN_HI引脚分别接收独立的PWM输入信号，直接驱动相应的输出。根据是否启用输入互锁保护，DLH和DHL引脚的连接方式有所不同。这种模式提供了更大的灵活性，可用于双低端配置等应用。

五、应用设计：以同步降压转换器为例

5.1 设计要求与参数选择

以TPS7H6003 - SP在高压同步降压转换器中的应用为例，设计参数包括输入电源电压100V、输出电压28V、输出电流10A、开关频率500kHz等。在选择GaN FET时，要满足电气和辐射要求；对于自举电容、旁路电容、自举二极管、栅极电阻等元件的选择，都有详细的计算和设计方法。

5.2 详细设计步骤

• 自举和旁路电容：根据公式计算自举电容的最大允许压降，进而确定电容值。为了保证电路的稳定性和可靠性，选择电容时要考虑温度和电压变化的影响，以及负载瞬态等因素。旁路电容的选择要大于自举电容，且要尽量靠近相应引脚放置。
• 自举二极管：自举二极管要能承受功率级输入电压，具有低正向压降、低结电容和快速恢复时间等特点。在高频应用中，可能需要选择肖特基二极管。
• BP5x过冲和下冲：由于PCB布局和GaN FET的寄生电感和电容，可能会导致栅极驱动波形在开关过程中出现振荡。为了减轻振荡幅度，驱动器要靠近GaN FET放置，同时可以使用栅极电阻来抑制振荡。
• 栅极电阻：栅极电阻可以抑制寄生电容和电感引起的栅极振荡，同时可以调整驱动器的驱动强度。通过合理选择栅极电阻的值，可以控制驱动器的峰值电流，确保GaN FET的安全运行。
• 死区时间电阻：死区时间的选择要避免高低端开关的交叉导通，同时要尽量减少此期间的损耗。根据所需的死区时间，可以计算出相应的电阻值。
• 栅极驱动器损耗：栅极驱动器的损耗包括静态功耗、泄漏电流功耗、栅极充电和放电损耗等。通过合理选择工作模式和元件参数，可以降低驱动器的损耗，提高电路的效率。

六、电源与布局建议：确保最佳性能

6.1 电源供应

推荐的偏置电源电压范围为10V至14V，输入电压要经过良好的调节和旁路处理。BOOT电压应在8V至14V之间，要尽量减少自举充电路径上的电压降，以避免高端驱动器进入欠压锁定状态。

6.2 布局准则

• 靠近放置：将GaN FET尽可能靠近栅极驱动器放置，以减小整体环路电感，降低噪声耦合。
• 减小环路面积：自举充电路径的环路面积要尽量小，以减少高峰值电流的影响。
• 放置旁路电容：所有旁路电容要尽量靠近设备和相应引脚，选择低ESR和ESL的电容。
• 分离信号和电源迹线：将电源迹线和信号迹线分开，避免不同层信号的重叠。
• 减少寄生电感：使用短的、低电感的路径连接PSW和PGND到相应的FET源极，以减少负电压瞬变的影响。
• 良好的去耦：在GaN FET附近放置低ESR电容，以防止输入电源总线上的过度振荡。

七、文档与支持：助力设计成功

TI提供了丰富的文档支持，包括评估模块用户指南、辐射报告等。工程师可以通过ti.com注册接收文档更新通知，还可以在TI E2E™支持论坛上获取快速的设计帮助和专家解答。同时，要注意静电放电防护，避免对集成电路造成损坏。

在实际设计中，你是否遇到过类似栅极驱动器应用的挑战？你是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。