LMG2650：650V 95mΩ GaN半桥集成驱动器的卓越之选

在电源管理和功率转换领域，氮化镓（GaN）技术正以其卓越的性能逐渐崭露头角。今天，我们就来深入探讨一款由德州仪器（TI）推出的高性能产品——LMG2650，一款集成了驱动器和电流感应仿真功能的650V 95mΩ GaN半桥器件。

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1. 产品特性亮点

1.1 高集成度设计

LMG2650将半桥功率FET、栅极驱动器、自举FET和高端栅极驱动电平转换器集成在一个6mm×8mm的QFN封装中。这种集成化设计大大简化了电路板的设计，减少了元件数量和占用空间，同时也降低了设计的复杂度和成本。

1.2 出色的电气性能

• 耐压与低导通电阻：具备650V的额定电压，能够满足离线电源开关应用中遇到的高电压需求。同时，低侧和高侧GaN FET的导通电阻仅为95mΩ，有效降低了导通损耗，提高了功率转换效率。
• 低传播延迟的栅极驱动器：集成的栅极驱动器传播延迟小于100ns，能够实现快速的开关动作，提高了开关频率，有助于减小磁性元件的尺寸，进一步提高系统的功率密度。
• 可编程的开通压摆率控制：提供了可编程的开通压摆率控制功能，通过设置RDRVL和RDRVH引脚的电阻，可以将低侧和高侧GaN FET的开通压摆率分别编程为四种离散设置之一。这使得设计师可以根据具体应用需求，灵活调整压摆率，以平衡功率损耗、开关引起的振铃和电磁干扰（EMI）。

1.3 先进的保护功能

• 过流保护：支持低侧和高侧逐周期过流保护，当检测到GaN FET的漏极电流超过过流阈值时，能够迅速关闭相应的FET，避免器件因过流损坏。同时，在过流故障发生时，还能产生快速上升的模拟电流感应信号，防止控制器进入挂起状态。
• 过温保护：具备独立的低侧和高侧过温保护功能，当检测到温度超过设定的阈值时，会阻止相应的FET导通，避免因过热导致器件性能下降或损坏。
• 欠压锁定（UVLO）：AUX和BST引脚均具备欠压锁定功能，当电源电压低于设定的阈值时，会阻止相应的FET导通，确保器件在安全的电压范围内工作。

1.4 低静态电流与快速启动

• 低静态电流：AUX和BST引脚在空闲和待机状态下的静态电流都非常低，分别为250μA和70μA（AUX待机时为50μA），这有助于降低系统在轻载或待机模式下的功耗，提高系统的整体效率。
• 快速启动：高侧启动时间小于8μs，能够快速响应系统的启动需求，满足一些对启动时间要求较高的应用场景。

2. 引脚配置与功能详解

2.1 引脚配置

LMG2650采用19引脚的VQFN封装，各引脚的功能如下表所示：	PIN NAME	NO.	TYPE (1)	DESCRIPTION
NC	1, 6, 9, 11	NC	用于将QFN封装固定到PCB上，必须焊接到PCB焊盘上，且该焊盘不能与PCB上的其他金属物理连接
INH	2	I	高端栅极驱动控制输入，参考AGND，信号内部电平转换后传输到高端GaN FET驱动器
INL	3	I	低端栅极驱动控制输入，参考AGND
CS	4	O	电流感应仿真输出，输出GaN FET电流的缩放副本，可通过连接电阻到AGND来创建电流感应电压信号
SL	5, 7	P	低端GaN FET源极，低端散热焊盘，内部连接到AGND
DH	8	P	高端GaN FET漏极
SW	10, 15	P	GaN FET半桥开关节点，位于高端GaN FET源极和低端GaN FET漏极之间，高端散热焊盘
GDH	12	I	高端栅极驱动控制输入，参考SW，信号直接连接到高端GaN FET驱动器
RDRVH	13	I	高端驱动强度控制电阻，通过设置与SW之间的电阻来编程高端GaN FET的开通压摆率
BST	14	P	自举电压轨，高端电源电压，内部提供AUX和BST之间的自举二极管功能
RDRVL	16	I	低端驱动强度控制电阻，通过设置与AGND之间的电阻来编程低端GaN FET的开通压摆率
AGND	17	G	低端模拟地，内部连接到SL
AUX	18	P	辅助电压轨，低端电源电压，需连接旁路电容到AGND
EN	19	I	使能引脚，用于在活动和待机模式之间切换

2.2 引脚功能注意事项

• 输入引脚：INH、INL、EN和GDH引脚都有正向偏置的ESD二极管连接到相应的电源引脚（AUX或BST），因此在使用时应避免将这些引脚的电压驱动高于相应的电源电压，以免损坏ESD二极管。
• 压摆率编程引脚：RDRVL和RDRVH引脚用于编程低侧和高侧GaN FET的开通压摆率，具体的电阻设置可以参考数据手册中的推荐值。需要注意的是，压摆率设置是在AUX或BST电源上电时一次性确定的。
• 电流感应引脚：CS引脚的电流感应仿真功能可以替代传统的电流感应电阻，通过将CS引脚的输出电流通过电阻转换为电压信号，提供给外部电源控制器。同时，CS引脚内部有典型值为2.5V的钳位保护，防止过压损坏控制器的电流感应输入引脚。

3. 应用领域与典型电路

3.1 应用领域

LMG2650的高性能和高集成度使其适用于多种应用领域，包括：

• 移动壁式充电器设计：能够满足快速充电和高效功率转换的需求，提高充电速度和效率。
• USB壁式电源插座：为USB设备提供稳定、高效的电源供应。
• AC/DC辅助电源：适用于各种电子设备的辅助电源模块，提供可靠的电源支持。
• 电机驱动：其可编程的开通压摆率和低静态电流特性，使其在电机驱动应用中能够有效降低EMI和功耗。

3.2 典型电路示例

3.2.1 LLC应用

在LLC转换器应用中，LMG2650可以与LLC控制器配对使用，实现高功率密度和高效率的功率转换。该应用的设计要求如下：	SPECIFICATION	VALUE
Input DC voltage range	365VDC to 410VDC
Output DC voltage	48V
Ouput rated current	5A
Output voltage ripple at 390VDC	120mVpp
Peak efficiency at 390VDC	93%

详细的设计过程需要根据具体的应用需求进行调整，包括选择合适的磁性元件、电容和电阻等。同时，还需要注意电路板的布局和布线，以确保系统的性能和稳定性。

3.2.2 AHB应用

在AHB转换器应用中，LMG2650可以与AHB控制器配合使用，实现高效的功率转换和电压调节。通过合理设计电路参数和布局，可以提高系统的性能和可靠性。

3.2.3 电机驱动应用

在电机驱动应用中，LMG2650可以用于控制电机的开关动作，实现电机的调速和控制。其超低的压摆率设置能够有效降低电机驱动过程中的EMI，提高系统的稳定性。

4. 设计与使用建议

4.1 电源供应

LMG2650通过AUX引脚连接单个输入电源，BST引脚由AUX引脚内部供电。建议使用与电源控制器相同的电源管理和供应系统，AUX电压范围推荐为10V至26V，该范围与常见控制器的供电引脚开启和UVLO电压限制重叠。同时，AUX外部电容建议使用陶瓷电容，其容量应至少为BST - SW电容的三倍。

4.2 电路板布局

4.2.1 焊点应力缓解

由于LMG2650采用较大的QFN封装，可能会面临较高的焊点应力。为了缓解焊点应力，需要遵循以下最佳实践：

• 按照数据手册中关于NC锚定引脚的说明进行操作。
• 所有电路板焊盘应采用非阻焊定义（NSMD）方式，可参考数据手册中的焊盘图案示例。
• 连接到NSMD焊盘的电路板走线，在连接焊盘一侧的宽度应小于焊盘宽度的2/3，且在未被阻焊层覆盖的部分应保持该宽度限制，被阻焊层覆盖后则无宽度限制。

4.2.2 信号接地连接

为了减少电源供应中的噪声干扰，建议设计独立的信号地和功率地，并仅在一处连接。将LMG2650的AGND引脚连接到信号地，SL引脚和低侧散热焊盘连接到功率地，由于AGND、SL和低侧散热焊盘内部是相连的，因此LMG2650作为信号地和功率地的单点连接点，避免在电路板的其他位置连接信号地和功率地。

4.2.3 CS引脚信号处理

由于电流感应信号的阻抗比传统电流感应信号高三个数量级，因此CS引脚信号更容易受到噪声干扰。为了减少噪声影响，应尽量避免将电流感应信号走线靠近任何嘈杂的走线，将电流感应电阻和滤波电容放置在靠近控制器电流感应输入引脚的走线远端。

5. 总结

LMG2650作为一款高性能的GaN半桥集成驱动器，凭借其高集成度、出色的电气性能、先进的保护功能和低静态电流等优点，为电源管理和功率转换应用提供了一种优秀的解决方案。无论是在移动充电器、USB电源插座、AC/DC辅助电源还是电机驱动等领域，LMG2650都能够发挥其卓越的性能，帮助工程师们设计出更高效、更紧凑的电源系统。在实际应用中，工程师们需要根据具体的应用需求，合理选择电路参数和进行电路板布局，以充分发挥LMG2650的性能优势。你在使用类似的GaN器件时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。