德州仪器LMG2610：650V GaN半桥的卓越性能与应用解析

在当今的电源设计领域，高效、紧凑且可靠的电源解决方案需求日益增长。德州仪器（TI）的LMG2610作为一款集成650 - V GaN功率FET半桥，为有源钳位反激（ACF）转换器带来了新的突破。本文将深入剖析LMG2610的特性、应用、技术细节以及设计要点，希望能为电子工程师们在实际设计中提供有价值的参考。

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一、产品概述

LMG2610专为开关模式电源应用中的＜75 - W有源钳位反激（ACF）转换器而设计。它通过将半桥功率FET、栅极驱动器、自举二极管和高端栅极驱动电平转换器集成在一个9 mm x 7 mm的QFN封装中，简化了设计，减少了元件数量和电路板空间。其不对称的GaN FET电阻针对ACF工作条件进行了优化，可编程的导通压摆率提供了对EMI和振铃的有效控制。

二、关键特性解析

2.1 GaN功率FET性能

LMG2610采用了650 - V GaN功率FET半桥，其中低侧FET的导通电阻为170 mΩ，高侧FET为248 mΩ。这种不对称的设计能更好地适应ACF的工作条件，充分利用GaN FET的总尺寸。与传统的硅FET相比，GaN FET具有更高的击穿电压，LMG2610的GaN功率FET击穿电压超过800 V，使其能够在超出相同标称额定值的硅FET的条件下工作。

2.2 栅极驱动器与压摆率控制

内部栅极驱动器可调节驱动电压，以实现最佳的GaN功率FET导通电阻。同时，它还能减少总栅极电感和GaN FET共源电感，提高开关性能，包括共模瞬态抗扰度（CMTI）。低侧和高侧GaN FET的导通压摆率可以分别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EMI方面提供了更大的灵活性。

2.3 电流感测仿真

电流感测仿真功能在CS引脚输出端产生低侧漏极电流的缩放副本。CS引脚通过一个电阻连接到AGND，以创建到外部电源控制器的电流感测输入信号。这种设计取代了传统的与低侧GaN FET源极串联的电流感测电阻，显著节省了功率和空间。而且，由于没有与GaN源极串联的电流感测电阻，低侧GaN FET的散热垫可以直接连接到PCB电源地，既提高了系统的热性能，又增加了器件布线的灵活性。

2.4 高端栅极驱动电平转换器

高端栅极驱动电平转换器减少了敏感的高端栅极驱动路径的电容耦合，与外部解决方案相比，具有更低的噪声敏感性和更好的CMTI。与外部解决方案相比，它对器件静态电流的影响最小，并且对器件启动时间没有影响。

2.5 自举二极管功能

AUX和BST之间的自举二极管功能通过智能开关的GaN自举FET实现。与传统的自举二极管相比，开关式GaN自举FET允许更完全地对BST - SW电容器充电，避免了BST - SW电容器过充电的问题，并且具有更低的电容和零反向恢复电荷，从而实现更高效的开关。

2.6 保护功能

LMG2610具备多种保护功能，包括低侧/高侧欠压锁定（UVLO）、低侧/高侧输入栅极驱动互锁、低侧/高侧逐周期电流限制和过温保护。这些保护功能有助于确保转换器在各种工作条件下的稳定性和可靠性。

三、应用领域

3.1 有源钳位反激电源转换器

LMG2610的特性使其非常适合用于有源钳位反激电源转换器，能够提高转换效率，减少开关损耗，实现零电压开关（ZVS），从而满足现代电源对高效、紧凑的要求。

3.2 AC/DC适配器和充电器

在AC/DC适配器和充电器中，LMG2610可以帮助实现更高的功率密度和更好的轻载效率，满足快速充电和小型化的市场需求。

3.3 AC/DC USB壁式插座电源和辅助电源

对于AC/DC USB壁式插座电源和辅助电源，LMG2610的集成设计和低静态电流特性有助于降低功耗，提高系统的整体性能。

四、典型应用案例 - 65 - W USB - PD充电器

4.1 设计要求

在65 - W USB - PD充电器的应用中，对输入和输出特性有明确的要求。输入电压范围为90 - 264 V RMS，输出电压有20 V、15 V、9 V和5 V等多种设置，输出电流根据不同的输出电压也有相应的额定值。同时，对输出纹波电压、满载效率、平均效率等性能指标也有严格的要求。

4.2 详细设计步骤

4.2.1 导通压摆率设计

在正常的有源钳位反激（ACF）操作中，高端功率开关在零电压开关（ZVS）条件下工作，因此高端GaN功率FET应编程为尽可能快地导通，以最小化高端GaN功率FET的第三象限损耗。而低端功率开关根据负载条件在ZVS和非ZVS谷底开关下工作，为了最小化EMI和电路振铃，同时不增加开关损耗，低端应编程为尽可能慢地导通。

4.2.2 电流感测设计

根据UCC28782高密度有源钳位反激控制器数据手册中的传统电流感测电阻计算方法，结合LMG2610的电流感测仿真功能，计算出CS引脚的电阻值。同时，需要对ROPP电阻进行调整，以考虑CS电阻的显著值。

五、电源供应建议

LMG2610通过连接到AUX引脚的单个输入电源供电，BST引脚由AUX引脚内部供电。建议使用的AUX电压范围为10 - 26 V，与常见的控制器电源引脚导通和UVLO电压限制重叠。BST - SW外部电容建议使用至少10 nF的陶瓷电容，AUX外部电容建议使用至少是BST - SW电容三倍的陶瓷电容。

六、布局设计要点

6.1 焊点应力缓解

对于大型QFN封装，为了缓解焊点应力，需要遵循NC1、NC2和NC3锚定引脚的说明，所有电路板焊盘应为非阻焊定义（NSMD），连接到NSMD焊盘的电路板走线在连接焊盘侧的宽度应小于焊盘宽度的2/3。

6.2 信号地连接

电源设计应采用单独的信号地和电源地，仅在一处连接。将LMG2610的AGND引脚连接到信号地，SL引脚和PADL散热垫连接到电源地。为了便于电路板调试，在未安装LMG2610时，可以将AGND焊盘连接到PADL散热垫。

6.3 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，因此应尽量减少电流感测信号靠近任何嘈杂的走线。将电流感测电阻和任何滤波电容放置在靠近控制器电流感测输入引脚的走线末端。

七、总结

LMG2610作为一款集成度高、性能卓越的650 - V GaN半桥，为有源钳位反激转换器提供了全面的解决方案。其丰富的特性和保护功能使其在电源设计中具有很大的优势，无论是在效率、尺寸还是可靠性方面都能满足现代电源的需求。在实际设计中，工程师们需要根据具体的应用需求，合理选择导通压摆率、电流感测电阻等参数，并注意布局设计的要点，以充分发挥LMG2610的性能。希望本文能为电子工程师们在使用LMG2610进行电源设计时提供有益的参考。

大家在使用LMG2610的过程中遇到过哪些问题呢？或者对其应用还有哪些疑问，欢迎在评论区留言讨论。