【導讀】zaigaoxiaonengdianyuanshejizhong
，siqushijiandejingzhunkongzhishipinghengxiaolvyukekaoxingdeguanjian。chuantongfanganyilaigudingdekongzhiqiyanchihuofansuodewaibutiaozheng，bujintiaoshihaoshi，gengnanyishipeibutongGaN FET的動態特性，潛藏著過驅損壞的風險。本文將深入智能GaN降壓控製器設計的核心環節
，聚焦於其先進的配置與優化策略。通過闡述如何精確測量並協同優化導通/關斷擺率與延遲
，我們旨在幫助工程師突破傳統局限，在提升係統功率密度的同時，最大化能效並堅固開關元件的安全邊界。

摘要

zaigaoxiaonengdianyuanshejizhong

，siqushijiandejingzhunkongzhishipinghengxiaolvyukekaoxingdeguanjian。chuantongfanganyilaigudingdekongzhiqiyanchihuofansuodewaibutiaozheng，bujintiaoshihaoshi，gengnanyishipeibutongGaN FET的動態特性，潛藏著過驅損壞的風險。本文將深入智能GaN降壓控製器設計的核心環節
，聚焦於其先進的配置與優化策略。通過闡述如何精確測量並協同優化導通/關斷擺率與延遲
，我們旨在幫助工程師突破傳統局限，在提升係統功率密度的同時
，最大化能效並堅固開關元件的安全邊界。

引言

benxiliewenzhangdediyibufentaolunlelijiekaiguandianyuandicengwuliyuanlidezhongyaoxing，bingjieshaoleruhetongguowulishouduanshidangdiceliangqijiandexingnengbiaoxian。zaishiyantaishangdajianhaodianluzhihou，zhenzhengdegongzuojiukaishile。yudanxinpianIC設she計ji不bu同tong，控kong製zhi器qi用yong於yu驅qu動dong各ge種zhong開kai關guan器qi件jian，因yin此ci必bi須xu進jin行xing一yi定ding程cheng度du的de調tiao整zheng以yi確que保bao達da到dao最zui佳jia性xing能neng。如ru果guo測ce量liang技ji術shu不bu再zai是shi問wen題ti
，柵zha極ji和he開kai關guan波bo形xing將jiang能neng提ti供gong有you價jia值zhi的de信xin息xi
，指zhi出chu哪na些xie元yuan件jian值zhi需xu要yao修xiu改gai，以yi防fang止zhi損sun壞huai氮dan化hua镓jia(GaN) FET，並促使運行效率達到最優。

優化柵極連接

為了抑製峰值過衝，應當增大柵極上拉電阻的值。如果柵極緩慢上升且無過衝
，則FET不(bu)會(hui)受(shou)損(sun)
，但(dan)控(kong)製(zhi)器(qi)會(hui)延(yan)遲(chi)導(dao)通(tong)或(huo)關(guan)斷(duan)以(yi)維(wei)持(chi)設(she)定(ding)的(de)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)
，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)與(yu)過(guo)大(da)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)相(xiang)關(guan)的(de)轉(zhuan)換(huan)損(sun)耗(hao)增(zeng)加(jia)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)
，應(ying)當(dang)減(jian)小(xiao)柵(zha)極(ji)上(shang)拉(la)電(dian)阻(zu)。請(qing)參(can)見(jian)圖(tu)1來了解柵極電阻對波形的影響。上方波形顯示了使用純PCB走線的柵極測量結果
，即頂部和底部柵極（TG和BG走線）的上拉和下拉電阻均為0 Ω。下方波形顯示了頂部和底部柵極的上拉和下拉電阻均為10 Ω的測量結果。考慮到理想開關應實現瞬時轉換，因此在整個輸入電壓和輸出電流範圍內，快速上升且略有過衝（在限值以內）deboxing，biguozunidezhajiboxinggengweikequ。zhajixiajiangboxingguochongtongyangkeyitongguozengdahuojianxiaozhajixialadianzulaitiaozheng。zhongjianboxingzaiyishangliangzhongqingkuangzhijianqudelelianghaodepingheng：一方麵避免了與0 Ω情況相關的過衝，另一方麵又不至於像10 Ω情況那樣為消除全部過/下衝而引入過多延遲。上拉/下拉線路分離的一個主要優點是能夠分別調整每個電阻。請注意
，在圖1的中間波形中，2 Ω上拉電阻足以抑製過衝；但在圖2中，隻需1 Ω下拉電阻，即可糾正頂部和底部柵極的上方波形所示的下衝。

圖1.串聯電阻對柵極擺率（SW上升）的影響。TG：頂部柵極；BG：底部柵極。上方圖形顯示利用PCB走線進行柵極連接(0 Ω)的測量結果。中間圖形顯示優化柵極電阻的測量結果。下方圖形顯示所有柵極皆有10 Ω電阻與柵極驅動引腳串聯的測量結果。對於SW節點上升，最關鍵的值是RTGPULL-UP。

圖2.串聯電阻對柵極擺率（SW下降）的影響。TG：頂部柵極；BG：底部柵極。上方圖形顯示利用PCB走線進行柵極連接(0 Ω)的測量結果。中間圖形顯示優化柵極電阻的測量結果。下方圖形顯示所有柵極皆有10 Ω電阻與柵極驅動引腳串聯的測量結果。對於SW節點下降，最關鍵的值是RTGPULL-DOWN。

布bu局ju不bu當dang或huo柵zha極ji電dian阻zu阻zu尼ni設she計ji過guo於yu保bao守shou

，都dou會hui帶dai來lai不bu良liang後hou果guo。即ji使shi從cong閾yu值zhi角jiao度du保bao證zheng死si區qu時shi間jian接jie近jin於yu零ling，若ruo轉zhuan換huan時shi間jian較jiao長chang，轉zhuan換huan損sun耗hao也ye會hui增zeng加jia，進jin而er侵qin占zhan整zheng體ti效xiao率lv預yu算suan。采cai用yongFLIR成像裝置進行的熱分析證實了這一點。圖3非常清楚地顯示，在之前的測量中，0 Ω和10 Ω電阻之間的溫升接近40°C。這表明在FET承(cheng)受(shou)的(de)熱(re)應(ying)力(li)尚(shang)未(wei)超(chao)過(guo)限(xian)值(zhi)之(zhi)前(qian)，可(ke)用(yong)功(gong)率(lv)預(yu)算(suan)已(yi)經(jing)出(chu)現(xian)損(sun)失(shi)。還(hai)有(you)一(yi)個(ge)需(xu)要(yao)關(guan)注(zhu)的(de)問(wen)題(ti)是(shi)，底(di)部(bu)柵(zha)極(ji)可(ke)能(neng)會(hui)虛(xu)假(jia)導(dao)通(tong)。這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)表(biao)現(xian)為(wei)振(zhen)鈴(ling)波(bo)形(xing)出(chu)現(xian)異(yi)常(chang)膨(peng)脹(zhang)
，逐(zhu)漸(jian)接(jie)近(jin)底(di)部(bu)FET的閾值電壓。兩個FET同時導通絕非好現象！LTC7890和LTC7891具有低阻抗柵極驅動器
，有助於防止這種情況，但仍應優化底部柵極下拉電阻。優化柵極驅動電平的過程可確保FET在所有條件下都能使用智能近零死區時間安全切換，但其他模式或死區時間應如何驗證呢？

圖3.柵極電阻引起的轉換損耗的熱圖像。上方圖像是在24 VIN
、12 VOUT

、10 A條件下獲得的

，所有柵極走線使用PCB走線電阻，導致頂部FET的峰值溫度為52.1°C。下方圖像是在相同條件下獲得的，不過所有柵極走線使用10 Ω電阻。頂部FET溫度升高至93.4°C，輸出功率未增加。

選擇死區時間延遲

在某些情況下，設計人員可能會選擇或被要求使用一定量的死區時間。LTC7890和LTC7891具有三種死區時間控製模式，如表1suoshi。zhinengjinlingsiqushijiansifumoshiyiyangedeshixukongzhishidangdezhaji，quebaobuhuicanliurenhepohuaixingdenengliangshuiping。zishiyingzhajidaozhajisiqushijianmoshishiyongzhajibenshencunzaidekaierwenjianceyuzhi，jiangsiqushijianwendingkongzhizaimorende20 ns。RSET可編程死區時間模式使用相同的內部邏輯，但允許將默認的20 ns值在7 ns到60 ns範圍內進行精密調整。如果使用另外兩種配置中的任一種，則需要使用柵極信號將觸發閾值設置為1 V，以驗證時序是否按預設執行。

表1.DTC模式配置

選xuan擇ze死si區qu時shi間jian時shi，需xu要yao權quan衡heng多duo個ge因yin素su。為wei了le盡jin可ke能neng降jiang低di損sun耗hao，應ying使shi用yong智zhi能neng近jin零ling死si區qu時shi間jian並bing依yi靠kao智zhi能neng檢jian測ce和he伺si服fu架jia構gou
，以yi最zui高gao效xiao率lv實shi現xian盡jin可ke能neng高gao的de功gong率lv密mi度du。了le解jie如ru何he設she置zhi並bing通tong過guo適shi當dang的de測ce量liang驗yan證zheng死si區qu時shi間jian已yi接jie近jin零ling之zhi後hou，這zhe通tong常chang是shi最zui佳jia選xuan擇ze。圖tu4顯示了在優化柵極電阻的情況下
，近零死區時間的實際效果。沒有可見的反向導通時間

，並且沒有使用並聯肖特基二極管來保護GaN FET，避(bi)免(mian)了(le)額(e)外(wai)的(de)損(sun)失(shi)。因(yin)此(ci)
，電(dian)路(lu)效(xiao)率(lv)達(da)到(dao)最(zui)大(da)，熱(re)應(ying)力(li)降(jiang)至(zhi)最(zui)小(xiao)。然(ran)而(er)，如(ru)果(guo)設(she)計(ji)規(gui)範(fan)要(yao)求(qiu)比(bi)近(jin)零(ling)更(geng)長(chang)的(de)某(mou)個(ge)有(you)限(xian)量(liang)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)，則(ze)可(ke)使(shi)用(yong)自(zi)適(shi)應(ying)模(mo)式(shi)，它(ta)支(zhi)持(chi)靈(ling)活(huo)設(she)置(zhi)任(ren)意(yi)值(zhi)，以(yi)獲(huo)得(de)所(suo)需(xu)的(de)舒(shu)適(shi)裕(yu)度(du)。不(bu)過(guo)
，這(zhe)會(hui)導(dao)致(zhi)GaN FET功率損耗增加，產生更多熱量，如圖5所示。造成這種額外要求的原因可能是管理層在工程上的保守策略
，或者工程師不願過度偏離傳統的MOSFET設計規範。無論如何，LTC7890和LTC7891都為用戶提供了充分的選擇自由，以適應各種具體需求。當死區時間延長時
，務必使用熱成像設備，記錄極端工作條件下FET的效率和峰值熱點溫度。此舉是為了在預期的工作環境條件下，維持必要的熱裕度。與柵極電阻一樣，死區時間對FET承受的峰值熱應力有直接而明顯的影響。在12 VOUT、10 A的測試條件下
，使用優化的柵極電阻時，頂部FET的峰值溫度為56.3°C。這意味著
，相對於0 Ω PCB走線，溫度上升了3°C，但考慮到瞬態期間不存在過壓應力導致FET損壞
，這樣的溫升是合理的。然而
，當使用RSET模式將死區時間增加到35 ns（無智能近零或自適應控製的控製器的常見值）時，在相同輸出功率下
，溫度增加10°C以上，達到66.5°C，而且兩個FET上都是如此（圖6）。xianran，zaizhefangmiancaiqubaoshoucelvededaijiashixiaolvjiangdihereliangzengjia，jineryasuogonghaoyusuan。ruguocaiyongzhinengjinlinggongneng
，dengliangderesunhaobiankezhuanhuaweishushiwadeewaishuchugonglv。yinci
，zaiquedingsiqushijiandeshushiyudushi

，jiujingyingyouxianzunxunchuantongzuofa
，haishiyouxiankaolvshizhengshuju？zhezhidewomenshensi。

圖4.智zhi能neng近jin零ling死si區qu時shi間jian控kong製zhi轉zhuan換huan
，使shi用yong優you化hua的de柵zha極ji電dian阻zu。請qing注zhu意yi，使shi能neng此ci模mo式shi主zhu動dong控kong製zhi死si區qu時shi間jian時shi，開kai關guan節jie點dian上shang沒mei有you顯xian示shi可ke見jian的de反fan向xiang導dao通tong區qu域yu。

圖5.35 ns死區時間RSET模式轉換，使用優化的柵極電阻。死區時間控製精確
，但開關波形中反映的反向導通周期在2 V時清晰可見，由此產生了相當大的損耗。

圖6.死區時間模式導致的轉換損耗的熱圖像。上方圖像是在24 VIN、12 VOUT、10 A條件下獲得的，使用智能近零死區時間模式和優化的柵極電阻，導致頂部FET的峰值溫度為56.3°C。下方圖像是在相同條件下獲得的，不過使用RSET模式，配置了35 ns（典型值）死區時間。兩個FET的溫度均升至66.5°C，輸出功率未增加。

開發過程中，可以從ADI公gong司si提ti供gong的de評ping估gu參can考kao設she計ji入ru手shou
，搭da建jian合he理li的de布bu局ju。然ran後hou
，通tong過guo嚴yan謹jin的de基ji準zhun測ce量liang技ji術shu來lai測ce量liang和he驗yan證zheng設she計ji。如ru此ci
，開kai發fa者zhe最zui終zhong將jiang獲huo得de一yi個ge適shi合he產chan品pin化hua的de可ke靠kao設she計ji電dian路lu。在zai此ci過guo程cheng中zhong，按an照zhao本ben文wen所suo述shu的de程cheng序xu和he技ji術shu收shou集ji數shu據ju
，可ke確que保bao數shu據ju是shi準zhun確que可ke信xin的de。深shen入ru理li解jie各ge種zhong權quan衡heng因yin素su及ji其qi平ping衡heng方fang法fa之zhi後hou
，工gong程cheng師shi能neng夠gou更geng好hao地di決jue定ding采cai用yong何he種zhong工gong作zuo模mo式shi、使shi用yong什shen麼me外wai部bu元yuan件jian值zhi，更geng重zhong要yao的de是shi，清qing楚chu地di知zhi道dao為wei何he要yao作zuo出chu這zhe些xie決jue策ce。這zhe樣yang一yi來lai，不bu僅jin能neng縮suo短duan設she計ji周zhou期qi
，減jian少shao昂ang貴gui的de迭die代dai過guo程cheng，還hai能neng有you效xiao減jian少shao係xi統tong設she計ji中zhong的de挫cuo折zhe。

結語

在寬帶隙技術領先廠商的持續推動下，GaN技術正迅速發展，每一代產品的CG × RDS(ON)品質因數都有提升。雖然器件尺寸

、電(dian)容(rong)和(he)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)會(hui)隨(sui)著(zhe)每(mei)次(ci)迭(die)代(dai)而(er)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，但(dan)對(dui)運(yun)行(xing)狀(zhuang)況(kuang)進(jin)行(xing)可(ke)靠(kao)測(ce)量(liang)與(yu)驗(yan)證(zheng)的(de)正(zheng)確(que)方(fang)法(fa)始(shi)終(zhong)未(wei)變(bian)。為(wei)了(le)確(que)保(bao)設(she)計(ji)穩(wen)健(jian)

，並(bing)在(zai)極(ji)端(duan)工(gong)況(kuang)下(xia)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)安(an)全(quan)裕(yu)度(du)，在(zai)試(shi)驗(yan)台(tai)上(shang)對(dui)原(yuan)型(xing)進(jin)行(xing)運(yun)行(xing)驗(yan)證(zheng)仍(reng)然(ran)是(shi)不(bu)可(ke)替(ti)代(dai)的(de)關(guan)鍵(jian)環(huan)節(jie)。如(ru)果(guo)設(she)計(ji)方(fang)案(an)符(fu)合(he)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)的(de)指(zhi)導(dao)原(yuan)則(ze)，布(bu)局(ju)布(bu)線(xian)嚴(yan)格(ge)參(can)考(kao)了(le)評(ping)估(gu)板(ban)方(fang)案(an)，測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)也(ye)依(yi)據(ju)本(ben)文(wen)提(ti)供(gong)的(de)建(jian)議(yi)進(jin)行(xing)，那(na)麼(me)“一次成功、無需返工”的可能性將大大提高。

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