探索LMG3626：700V GaN FET的卓越性能与应用

在电源转换领域，氮化镓（GaN）技术正逐渐崭露头角，为高效、紧凑的电源设计带来了新的可能性。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的LMG3626，一款集成了700V、220mΩ GaN功率FET、栅极驱动器、电流感测仿真功能和保护特性的器件，它在开关电源应用中展现出了强大的优势。

文件下载：lmg3626.pdf

一、LMG3626的特性亮点

1. 高性能GaN FET

LMG3626采用了700V额定的GaN FET，能够支持离线电源开关应用中遇到的高电压。其低输出电容电荷特性，减少了电源转换器开关所需的时间和能量，是创建小型、高效电源转换器的关键特性。在25°C时，其典型的漏源导通电阻为220mΩ，即使在125°C的高温环境下，也能保持相对较低的电阻值，确保了良好的导通性能。

2. 集成式栅极驱动器

内部栅极驱动器能够调节驱动电压，以实现最佳的GaN FET导通电阻。它还减少了总栅极电感和GaN FET共源电感，提高了开关性能，包括共模瞬态抗扰度（CMTI）。此外，GaN FET的导通转换速率可以单独编程为四个离散设置之一，为设计人员在功率损耗、开关引起的振铃和电磁干扰（EMI）方面提供了更大的灵活性。

3. 电流感测仿真功能

电流感测仿真功能在CS引脚输出端提供了GaN FET漏极电流的缩放副本。通过将CS引脚连接到一个电阻，可以创建一个电流感测输入信号，该信号被输入到外部电源控制器中。这种设计取代了传统的与GaN FET源极串联的电流感测电阻，节省了大量的功率和空间。同时，由于没有电流感测电阻与GaN FET源极串联，GaN FET的散热垫可以直接连接到PCB电源地，不仅提高了系统的热性能，还提供了额外的器件布线灵活性。

4. 低静态电流与宽输入电压范围

AUX输入电源具有较宽的电压范围，与电源控制器产生的相应宽范围电源轨兼容。低AUX静态电流支持转换器的突发模式操作，这对于满足政府的轻载效率要求至关重要。通过EN引脚将器件置于待机模式，可以进一步降低AUX静态电流。

5. 全面的保护特性

LMG3626具备欠压锁定（UVLO）、逐周期电流限制和过温保护等保护特性。过温保护通过开漏FLT输出进行报告，确保了器件在异常情况下的安全运行。

二、引脚配置与功能

LMG3626采用38引脚的VQFN封装，各引脚具有明确的功能：

• NC1和NC2：用于将QFN封装固定到PCB上，内部连接到相应的引脚，但不与PCB上的其他金属物理连接。
• D和S：分别为GaN FET的漏极和源极。
• EN：用于在活动模式和待机模式之间切换，待机模式可降低静态电流，以支持转换器的轻载效率目标。
• IN：栅极驱动控制输入。
• AGND：模拟地，内部连接到S、PAD和NC2。
• CS：电流感测仿真输出，输出GaN FET电流的缩放副本。
• FLT：有源低故障输出，在过温保护时断言。
• AUX：辅助电压轨，为内部电路提供电源。
• RDRV：驱动强度控制电阻，用于编程GaN FET的导通转换速率。
• PAD：散热垫，内部连接到S、AGND和NC2，可传导全部S电流。

三、电气与开关特性

1. 电气特性

在不同的温度和电压条件下，LMG3626展现出了稳定的电气性能。例如，在25°C时，漏源导通电阻典型值为220mΩ；在125°C时，该值增加到390mΩ。此外，它还具有低漏电流、低输出电容电荷等优点，有助于提高电源转换器的效率。

2. 开关特性

LMG3626的开关特性受导通转换速率设置的影响。不同的设置下，导通延迟时间、关断延迟时间和导通转换速率等参数会有所不同。例如，在最快的导通转换速率设置下，导通延迟时间可低至23ns，导通转换速率可达150V/ns。

四、应用案例：65W USB PD充电器

1. 设计要求

该应用的输入交流电压范围为90VAC至264VAC，输入线频率范围为47Hz至63Hz，输出直流电压可设置为5V、9V、15V和20V。在20V输出和满载条件下，最小效率要求达到93%。

2. 详细设计步骤

• 导通转换速率设计：在准谐振反激转换器中，导通转换速率的选择需要权衡电源效率和EMI/瞬态振铃。较慢的导通转换速率可以减少EMI和振铃问题，但可能会增加开关损耗；较快的导通转换速率则相反。在实际设计中，需要根据准谐振控制器的实现方式来选择合适的导通转换速率设置。
• 电流感测设计：电流感测电阻的计算需要先进行传统电流感测电阻的设计计算，然后乘以电流感测仿真的逆增益。在使用LMG3626时，需要注意确保电流感测信号的准确性和稳定性，避免受到噪声的干扰。

五、设计建议

1. 布局指南

在PCB布局时，需要注意以下几点：

• 焊点应力缓解：遵循NC1、NC2和NC3锚定引脚的说明，使用非阻焊定义（NSMD）的焊盘，并确保连接到NSMD焊盘的电路板走线宽度不超过焊盘宽度的三分之二。
• 信号地连接：设计电源时应使用单独的信号地和电源地，并仅在一处连接。将LMG3626的AGND引脚连接到信号地，S引脚和PAD散热垫连接到电源地。
• CS引脚信号：由于电流感测信号的阻抗比传统电流感测信号高三个数量级，因此需要尽量减少电流感测信号与任何嘈杂走线的靠近。将电流感测电阻和任何滤波电容放置在走线的远端，靠近控制器的电流感测输入引脚。

  2. 文档支持

  TI提供了丰富的文档资源，包括LMG362XX准谐振功率级设计计算器和使用LMG3626EVM - 074 65W USB - C PD高密度准谐振反激转换器的用户指南，帮助工程师进行设计和调试。

六、总结

LMG3626作为一款集成了高性能GaN FET、栅极驱动器、电流感测仿真功能和保护特性的器件，为开关电源设计带来了诸多优势。其卓越的电气和开关特性、全面的保护功能以及灵活的引脚配置，使其在AC/DC适配器、充电器、USB墙式电源插座等应用中具有广泛的应用前景。在设计过程中，工程师需要充分考虑其特性和要求，合理进行布局和参数设置，以实现最佳的性能和可靠性。你在使用类似的GaN FET器件时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。