作者：James R. Staley，高級產(chǎn)品應(yīng)用工程經(jīng)理
摘要
同步轉(zhuǎn)換器的工作原理是交替切換控制開關(guān)和同步開關(guān)器件（通常是FET）的通斷狀態(tài)。這種操作的時(shí)序非常重要。如果關(guān)斷一個(gè)開關(guān)與接通另一個(gè)開關(guān)之間的延遲時(shí)間過長，效率就會受到影響。如果延遲時(shí)間不夠長，當(dāng)大量電流流過這對開關(guān)時(shí)，就可能發(fā)生所謂的“直通”現(xiàn)象。這會顯著降低效率，并可能損壞元器件。本文是關(guān)于智能GaN降壓控制器設(shè)計(jì)的兩篇文章中的第一篇，討論了所涉及的動(dòng)態(tài)特性及其正確測量方法。
引言
在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域引入氮化鎵(GaN)等寬帶隙FET器件，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能量密度、更快的開關(guān)速度和更低的損耗，這主要得益于這類器件顯著降低的柵極電容(Cg)。然而，GaN FET的VGS限制非常嚴(yán)格，且其不具備體二極管。因此，如果為了避免柵極振鈴而降低柵極擺率，則在較長死區(qū)時(shí)間下，反向?qū)〒p耗會大幅增加。此外，GaN FET同樣容易遭受直通效應(yīng)的有害影響。因此，為了充分利用這類器件，必須優(yōu)化死區(qū)時(shí)間。來看一下圖1所示的典型應(yīng)用。這是一種15 V至36 VIN、12 V/15 A降壓轉(zhuǎn)換器，采用LTC7891。這款器件專門設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)GaN器件。我們將以此應(yīng)用電路為例，探討如何準(zhǔn)確測量死區(qū)時(shí)間和過沖，同時(shí)優(yōu)化柵極電阻。
圖1.800 kHz、15 V到36 VIN、12 V降壓型穩(wěn)壓器提供高達(dá)15 A的輸出
關(guān)于開關(guān)操作的考慮因素
這款降壓轉(zhuǎn)換器具有智能近零死區(qū)時(shí)間，其開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由驅(qū)動(dòng)控制開關(guān)Q1頂部柵極(TG)和同步開關(guān)Q2底部柵極(BG)的控制器組成。頂部柵極通過單獨(dú)的上拉/下拉電阻（TGUP、TGDN）驅(qū)動(dòng)，底部柵極通過單獨(dú)的上拉/下拉電阻（BGUP、BGDN）驅(qū)動(dòng)。每個(gè)開關(guān)周期中的開關(guān)電流利用輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)L1和COUT進(jìn)行平均，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定輸出電壓。
理想轉(zhuǎn)換器的開關(guān)沒有能量損耗，其通斷會瞬時(shí)完成且完全同步。然而，雖然GaN FET因其低電容而能夠比其他技術(shù)更快地導(dǎo)通和關(guān)斷，但在控制器指令開關(guān)導(dǎo)通與開關(guān)達(dá)到完全導(dǎo)通狀態(tài)之間仍存在延遲。開關(guān)的關(guān)斷也是如此。由于這種延遲，開關(guān)存在轉(zhuǎn)換損耗，構(gòu)成了開關(guān)操作總損耗中不可忽略的重要部分。這些損耗會轉(zhuǎn)化為開關(guān)熱量，從而影響效率，并最終對FET的運(yùn)行施加熱限制。如何有效應(yīng)對這些由非理想開關(guān)施加的限制呢？
如果兩個(gè)開關(guān)同時(shí)完全導(dǎo)通（哪怕持續(xù)時(shí)間非常短暫），低RDS(ON)將造成VIN與GND之間短路，最終將導(dǎo)致開關(guān)徹底失效。如果兩個(gè)開關(guān)均處于部分導(dǎo)通狀態(tài)，高漏電流將導(dǎo)致瞬時(shí)高溫，此現(xiàn)象會致使開關(guān)承受熱應(yīng)力，進(jìn)而縮短其使用壽命。這種情況就是所謂的“直通”（圖2）。在初始切換階段，大約有8 ns的死區(qū)時(shí)間，開關(guān)電流首先以正常di/dt速率達(dá)到輸入電流水平，隨后隨著電感充電而逐漸上升。下一轉(zhuǎn)換階段具有對稱的上升沿和下降沿，兩個(gè)晶體管可以同時(shí)處于部分導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致漏極電流出現(xiàn)明顯的尖峰，但仍低于I(DS)MAX。最后的轉(zhuǎn)換階段允許導(dǎo)通時(shí)間重疊2 ns，漏極電流尖峰遠(yuǎn)超F(xiàn)ET額定漏極電流。
圖2.死區(qū)時(shí)間不足導(dǎo)致的直通
為了避免這種情況，控制器關(guān)斷一個(gè)開關(guān)后，應(yīng)延遲另一個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通，此延遲時(shí)間被稱為死區(qū)時(shí)間。只有設(shè)定的死區(qū)時(shí)間足夠長，使器件有足夠時(shí)間完成完全導(dǎo)通和完全關(guān)斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，才能防止直通現(xiàn)象（圖2）。但是，如果此時(shí)間過長會發(fā)生什么？MOSFET具有寄生二極管，它會在FET仍處于關(guān)斷狀態(tài)的同時(shí)，箝位開關(guān)節(jié)點(diǎn)并防止反向擊穿。FET完全導(dǎo)通所需的時(shí)間越長，這種暫態(tài)VF × IDS功率損耗對效率的影響就越大。只有當(dāng)FET完全導(dǎo)通后，才能用低得多的IDS2 × RDS(ON)損耗替代（通常為0.8 V到1.0 V的）VF × IDS功率損耗。GaN FET則沒有這種體二極管結(jié)構(gòu)。在反向電壓下，GaN FET會箝位在高得多的電位，橫向晶體管結(jié)構(gòu)的典型箝位電壓為2 V。這意味著，即使是適中的死區(qū)時(shí)間，也會造成過高的功率損耗，因此GaN FET控制器需要盡可能減少死區(qū)時(shí)間。為了解決這一問題，基于MOSFET的設(shè)計(jì)通常在同步開關(guān)的MOSFET兩端并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管，以降低死區(qū)期間的正向壓降。然而，在GaN所適用的高頻開關(guān)應(yīng)用中，二極管的結(jié)電容會迅速成為損耗的主要來源。與這些考慮因素相關(guān)的利弊權(quán)衡如表1所示。
表1.48 V至12 V、500 kHz FSW、20 ns死區(qū)時(shí)間下的損耗
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BSZ097N10NS5
MOSFET
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EPC2218 GaN FET
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PMEG100T030
肖特基
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VF (V)
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0.9
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1.5
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0.7
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ID (A)
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20
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20
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20
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反向?qū)〒p耗(W)
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0.36
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0.60
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0.28
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QRR (nC)
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60.0
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0.0
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9.5
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反向恢復(fù)損耗(W)
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1.44
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0.00
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0.23
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表2.DTC模式配置
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死區(qū)時(shí)間控制
(DTC)模式
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DTCA
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DTCB
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死區(qū)時(shí)間
(ns)
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Smart Near-Zero DTC
智能近零DTC
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INTVcc
INTVcc
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0（典型值）
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自適應(yīng)DTC
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GND
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20（典型值）
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RSET DTC
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10 Ω至
200 kΩ
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10 Ω至
200 kΩ
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7至60
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基于GaN的設(shè)計(jì)現(xiàn)在似乎陷入了兩難境地。死區(qū)時(shí)間設(shè)定過短，可能導(dǎo)致直通故障，使開關(guān)器件瞬間損毀；而死區(qū)時(shí)間設(shè)定過長，則可能引發(fā)過熱，導(dǎo)致器件因焊點(diǎn)失效而從電路板脫落。如何在高效轉(zhuǎn)換與充足安全裕度之間取得適當(dāng)?shù)钠胶�？解決這一難題的最簡單方法，或許是選用具備智能近零死區(qū)時(shí)間或芯片級自適應(yīng)死區(qū)特性的轉(zhuǎn)換器。LTC7890和LTC7891降壓控制器分別是雙通道/單通道降壓設(shè)計(jì)，專門用于驅(qū)動(dòng)GaN FET，具有引腳可選的智能近零死區(qū)時(shí)間、自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間和精密電阻可調(diào)死區(qū)時(shí)間控制選項(xiàng)。這種架構(gòu)能夠巧妙地測量實(shí)際VGS和VSW電平，從而智能地控制時(shí)序，確保驅(qū)動(dòng)任何器件時(shí)都能實(shí)現(xiàn)精確性和安全性。其核心在于通過快速調(diào)整來精準(zhǔn)控制死區(qū)時(shí)間。與傳統(tǒng)的開環(huán)柵極驅(qū)動(dòng)不同，它會實(shí)時(shí)調(diào)整死區(qū)時(shí)間，確保開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷完全按照控制器的指令發(fā)生，而非受柵極信號、寄生柵極電阻和電容所左右。這樣不僅能有效降低反向?qū)〒p耗，還能充分利用GaN固有的近零反向恢復(fù)損耗特性。關(guān)于這些工作模式的完整指南，請參見表2。用戶只需驗(yàn)證設(shè)定的模式和時(shí)序是否正確實(shí)現(xiàn)。不過，驗(yàn)證過程本身也存在一些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員必須首先解決這些挑戰(zhàn)。
測量和布局考慮因素
要準(zhǔn)確測量死區(qū)時(shí)間和過沖波形，必須高度重視探測技術(shù)及其實(shí)施。相對于MOSFET，GaN FET具有非常嚴(yán)格的VGS限制，其典型值為5 V，而ABSMAX為+6 V到-4 V。強(qiáng)柵極驅(qū)動(dòng)結(jié)合寄生電抗元件會導(dǎo)致振鈴，即便短暫的電壓偏移也可能損壞GaN器件。與MOSFET相比，GaN柵極對驅(qū)動(dòng)引腳展現(xiàn)出更低的電容，這一特性使GaN在高頻應(yīng)用中更有優(yōu)勢。然而，探頭本身會引入寄生電抗元件，可能會使波形失真，導(dǎo)致測量結(jié)果無法準(zhǔn)確反映柵極在未被探測時(shí)的真實(shí)表現(xiàn)。用手握住探頭并使用最少的輔助設(shè)備，是一種存在較大風(fēng)險(xiǎn)的做法。手一旦滑脫，后果可能相當(dāng)嚴(yán)重。傳統(tǒng)的鱷魚夾引線也不適合這種情況。如果頂部柵極和開關(guān)節(jié)點(diǎn)的回流路徑設(shè)置合理，傳統(tǒng)上推薦使用定制尾纖探測技術(shù)，以獲得良好的示波器測量結(jié)果（圖3）。但對于浮空頂部柵極，這種探測方法依然存在問題。一種解決方案是使用諸如MMCX樣式的連接器，或使用可以適配MMCX探頭尖端的排針。底部柵極可將接地端作為基準(zhǔn)，而頂部柵極可將開關(guān)作為基準(zhǔn)，因此必須使用某種形式的隔離探頭。在頂部柵極的測量中，光學(xué)探頭（例如Tektronix TIVP或漂移更小的新型TICP）可以提供這種隔離，并利用MMCX連接器。圖4顯示了一個(gè)正在進(jìn)行的典型LTC7891死區(qū)測量設(shè)置，MMCX連接器位于FET柵極引腳正下方，并耦合到1 GHz光學(xué)探頭。
圖3.對底部柵極和開關(guān)應(yīng)用適當(dāng)?shù)奶筋^技術(shù)，有效降低振鈴偽影
圖4.Tektronix TIVP100光學(xué)探頭通過MMCX連接器連接到頂部柵極
連接器本身是就是一種權(quán)衡的體現(xiàn)。表面貼裝MMCX連接器會占用電路板空間，這對于那些要求緊湊布局和高功率密度的設(shè)計(jì)而言，無疑是一個(gè)問題。如果連接器被（理想地）直接部署于FET的柵極和源極引腳之間，且不引入額外的柵極走線，這可能導(dǎo)致布局比預(yù)期更分散。另一方面，若將連接器放置在布局的邊緣，則會引入額外的走線電感和電阻，進(jìn)而降低測量準(zhǔn)確度。另一種方案是使用通孔接頭，這些接頭僅用于測量，在最終裝配時(shí)可移除。但是，這種方案需要借助適配器，不僅會略微增加寄生效應(yīng)，還要在焊盤堆疊結(jié)構(gòu)的所有層上都預(yù)留環(huán)形開口。通過合理權(quán)衡各項(xiàng)因素并優(yōu)化電路布局，可有效抑制探頭寄生參數(shù)引起的過沖與振鈴（圖5）。紅框中的原始布局將MMCX連接器牢固連接到開關(guān)節(jié)點(diǎn)，柵極節(jié)點(diǎn)通過通孔和內(nèi)部走線連接到GaN FET的柵極焊盤。紅色波形顯示振鈴幅度超過+6.4 V/–9.1 V。仍使用相同的2.2 Ω上拉/1.0 Ω下拉柵極電阻，但修改藍(lán)框中的布局，將MMCX本體與開關(guān)節(jié)點(diǎn)分開，代之以開爾文連接，由此測得的藍(lán)色波形顯示，頂部柵極關(guān)斷時(shí)的振鈴幅度降低至+2.4 V/–1.8 V。值得注意的是，即使只是對電路布局進(jìn)行些許調(diào)整，也可能顯著影響過沖的測量結(jié)果，而這一參數(shù)對于抑制過沖并避免GaN FET被過度驅(qū)動(dòng)至關(guān)重要。
圖5.頂部柵極關(guān)斷波形，顯示了探頭連接中寄生參數(shù)的影響。紅色：非開爾文連接；藍(lán)色：基于開爾文連接的MMCX連接器。20 ns/div、2 V/div使用Tektronix TIVH 1 GHz光學(xué)探頭。
一旦測量技術(shù)得到驗(yàn)證，驗(yàn)證死區(qū)時(shí)間的過程便可開始。無論采用哪種探頭測量頂部波形，第一步始終是利用一個(gè)公共信號源，對探頭進(jìn)行相對于底部信號的去偏斜處理。死區(qū)時(shí)間是相對的，只要公共信號無任何水平偏移，那么一個(gè)通道相對于另一個(gè)通道的偏斜就無關(guān)緊要。這也有助于確保增益誤差和失調(diào)（光學(xué)探頭的常見問題）得到糾正，或者至少知道存在誤差和失調(diào)，以便在測量后進(jìn)行調(diào)整。在采集用于決策的數(shù)據(jù)之前，務(wù)必讓光學(xué)探頭達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。此外，通常建議記錄所有增益和失調(diào)設(shè)置。
完成設(shè)置后，應(yīng)在應(yīng)力最低的電壓和電流下（降壓控制器使用較低VIN，升壓控制器使用較高VIN）進(jìn)行基線測量，然后再挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)的功率極限。柵極過沖會隨著輸入電壓和輸出電流的變化而變化，如果設(shè)計(jì)的裕度有限，最好在達(dá)到極限應(yīng)力之前發(fā)現(xiàn)并糾正過沖問題。如果用于測試的示波器具有參考光標(biāo)，建議將光標(biāo)放置在GaN VG數(shù)據(jù)手冊規(guī)格的上限和下限處，以便直觀地查看可接受的范圍。使用開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形來觸發(fā)并疊加頂部和底部柵極波形，以獲得死區(qū)時(shí)間的最佳圖像。最好使用差分或光學(xué)探頭來測量頂部柵極波形。如果測量必須相對于接地端進(jìn)行，通常建議使用示波器波形數(shù)學(xué)函數(shù)（如果可用），從頂部柵極節(jié)點(diǎn)輸入中減去開關(guān)節(jié)點(diǎn)，以獲得一個(gè)基于虛地的波形進(jìn)行分析。
結(jié)語
本文概述了關(guān)于布局、探測和數(shù)據(jù)采集的正確技術(shù)。掌握這些技術(shù)后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在采用LTC7890和LTC7891降壓控制器實(shí)現(xiàn)基于GaN的設(shè)計(jì)時(shí)，將能更有把握地確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。完成原型搭建并在測試臺上準(zhǔn)確測量波形后，設(shè)計(jì)人員就可以選擇配置，然后優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)信號。這方面的內(nèi)容將在“智能GaN降壓控制器設(shè)計(jì)——第2部分：配置和優(yōu)化”中介紹。 |
