【導讀】NCP51820 是一款 650 V、高速、半橋驅(qū)動器，能夠以高達 200 V/ns 的 dV/dt 速率驅(qū)動氮化鎵（以下簡稱“GaN”） 功率開關(guān)。只有合理設(shè)計能夠支持這種功率開關(guān)轉(zhuǎn)換的印刷電路板 (PCB) ，才能實現(xiàn)實現(xiàn)高電壓、高頻率、快速dV/dt邊沿速率開關(guān)的全部性能優(yōu)勢。本文將簡單介紹NCP51820及利用 NCP51820 設(shè)計高性能 GaN 半橋柵極驅(qū)動電路的 PCB 設(shè)計要點。
NCP51820 是一款全功能專用驅(qū)動器，為充分發(fā)揮高電子遷移率晶體管 (HEMT) GaNFET 的開關(guān)性能而設(shè)計。與擊穿電壓額定值相似的硅器件相比，制造 GaNFET 所使用的芯片尺寸更小。因此，哪怕與同類最佳的硅 MOSFET 相比，GaNFET 的柵極電荷、輸出電容和動態(tài)導通電阻也大大降低。此外，GaNFET 沒有 PN結(jié)，因此漏極-源極上沒有本征寄生體二極管，也就沒有與第三象限操作相關(guān)的反向恢復電荷。
GaNFET 非常適用于離線半橋功率拓撲、無橋 PFC 和單端有源箝位拓撲。這些功率級常常采用零電壓開關(guān) (ZVS)，但也可以在硬開關(guān)條件下采用大約 400V 的電壓工作。所有這些改進使得 GaNFET 能夠以 MHz 范圍或接近該范圍的頻率開關(guān)，漏源邊沿速率高達 100V/ns。能否實現(xiàn)基于 GaN 的功率級的最優(yōu)性能，在很大程度上取決于設(shè)計人員對寄生電路元件（如封裝電感、PCB 走線電感、變壓器電容）以及元器件選擇和布局的理解。雖然硅 MOSFET 功率系統(tǒng)中也存在這些寄生元件，但在 GaN 功率解決方案中，當受到其中存在的高 dV/dt 和 di/dt 激勵時，會有更明顯的響應，因此會產(chǎn)生問題。
NCP51820 的 MLP 無引線功率封裝（圖 3）以及行業(yè)中的各種無引線 GaNFET 功率封裝（圖 1 和圖 2），體現(xiàn)了為充分降低寄生電感所作的設(shè)計努力。同樣，必須特別注意 PCB 設(shè)計和元器件布局。為了充分發(fā)揮利用 NCP51820 驅(qū)動高速半橋功率拓撲中使用的 GaN 功率開關(guān)的優(yōu)勢，有一些重要的 PCB 設(shè)計因素需要考慮，本白皮書將重點討論其中的一些重要注意事項。
HEMT GaN 和 NCP51820 封裝說明
大多數(shù) GaNFET 封裝包含一個專用源極開爾文返回引腳，如圖 1 中的“SK”所示，其作用只是為了將柵極驅(qū)動返回電流送回 NCP51820。較高電流的漏源引腳通過多條焊線焊接到多個焊盤，不過為了簡明起見，圖 1 中的簡化示意圖僅顯示了一條焊線連接。NCP51820 輸出和 GaNFET 柵源開爾文引腳之間的接口必須是直接單點連接，該接口特別重要，如含有源極開爾文引腳的 GaNFET 部分所述。
但是，并非所有 GaNFET 都包含一個專用源極開爾文返回引腳，例如圖 2 所示的示例。對于不含源極開爾文返回引腳的 GaNFET，為 PCB 設(shè)計中的柵極驅(qū)動部分布線時必須特別注意。對于半橋功率級的開關(guān)節(jié)點連接，高壓側(cè) GaNFET 的源極直接連接到低壓側(cè) GaNFET 的漏極，構(gòu)成一個承載高 di/dt 負載電流的高 dV/dt 節(jié)點。不建議直接使用此高壓開關(guān)節(jié)點的柵極驅(qū)動返回引腳，如不含源極開爾文引腳的 GaNFET 部分所述。
圖1. 含有源極開爾文返回引腳的典型 GaN
圖2. 不含源極開爾文返回引腳的典型 GaN
NCP51820 采用 4x4 mm 無引線封裝，所有邏輯電平輸入和編程功能都設(shè)置在 IC 右側(cè)，與策略性設(shè)置在 IC 其余三側(cè)的電源功能分開。基于設(shè)計策略安置引腳，以便必要時提供高壓隔離。以下 PCB 布局部分說明，將充分展現(xiàn) NCP51820 引腳分配的優(yōu)勢。
圖3. NCP51820 GaN 驅(qū)動器引腳分配
PCB 設(shè)計策略概要
使用 GaNFET 開始 PCB 設(shè)計時，最好根據(jù)優(yōu)先級考慮整個布局，如下所列。
1. 必須采用多層PCB設(shè)計，并且按照本文所述適當使用接地/返回平面。高頻率、高電壓、高dV/dt和高di/dt都要求采用多層PCB設(shè)計方法。為了實現(xiàn)基于GaN的功率級的全部優(yōu)勢，接地平面必須采取適當?shù)牟季€或設(shè)計，而廉價的單層PCB設(shè)計無法做到。
2. 開始時，首先將對噪聲最敏感的元器件安置在 NCP51820 附近。VDD、VDDH 和 VDDL 旁路電容以及 VBST 電容、電阻和二極管應盡可能靠近各自的引腳。
3. 將 DT 電阻直接放在 DT 和 SGND 引腳之間。
4. HO和LO、拉電流和灌電流柵極驅(qū)動電阻應盡可能靠近 GaNFET。
5. 將 NCP51820 和關(guān)聯(lián)的元器件移到盡可能靠近 GaNFET 拉電流和灌電流電阻的位置。
6. 如果可能，安置 GaNFET 時使 HO 和 LO 柵極驅(qū)動長度盡可能匹配。為了避免高電流和高 dV/dt 流經(jīng)過孔，兩個 GaNFET 最好和 NCP51820 位于 PCB 的同一面。
7. 應將 HO 和 LO 柵極驅(qū)動視為兩個獨立的、相互電隔離的柵極驅(qū)動電路。因此，HO 和 LO 各自都需要專用銅觸點 (copper land) 返回平面，這些平面在第 2 層上，位于第 1 層柵極驅(qū)動布線正下方。
電源環(huán)路、開關(guān)節(jié)點、柵極驅(qū)動環(huán)路的正確布線以及使用平面，對于順利完成 GaN PCB 設(shè)計至關(guān)重要。這部分內(nèi)容如有需求，后續(xù)可能會推送新的文章配合插圖對每一項加以說明。對于柵極驅(qū)動器，正確的布線和噪聲隔離將有助于減少額外的寄生環(huán)路電感、噪聲注入、振鈴、柵極振蕩和意外導通。目的是設(shè)計一個精心考慮了適當接地，同時讓受控電流以最小環(huán)路距離流經(jīng)直接通路連接的高頻電源 PCB。
元器件布局和布線
圖 4 突出顯示了 NCP51820 周圍的關(guān)鍵元器件布局以及與 HS 和 LS GaNFET 的接口。
圖4. NCP51820 元器件布局
含有源極開爾文引腳的GaNFET
許多 GaNFET 封裝包括一個專用源極開爾文引腳，用于將柵極驅(qū)動返回電流與功率開關(guān)節(jié)點（高壓側(cè)）或電源地（低壓側(cè)）出現(xiàn)的較高電流和電壓電平隔離。對于具有專用源極開爾文引腳的 GaNFET，柵極驅(qū)動布線相當簡單。推薦 PCB 布線設(shè)計示例如圖 5 所示，可以看到高壓側(cè) GaNFET 柵極驅(qū)動返回電流與功率開關(guān)節(jié)點電流有效分隔。
圖5. 源極開爾文 GaNFET 布線
不含源極開爾文引腳的GaNFET
有些 GaNFET 封裝不含專用源極開爾文引腳，還必須要仔細考慮，將柵極驅(qū)動返回電流與功率開關(guān)節(jié)點（高壓側(cè)）或電源地（低壓側(cè)）出現(xiàn)的較高電流和電壓電平隔離。對于沒有專用源極開爾文引腳的 GaNFET，應從 GaNFET 源極接出一段額外的銅蝕刻線，其唯一作用是將柵極驅(qū)動返回電流送回 NCP51820。盡管不如專用開爾文引腳連接那么有效，但這種布線技術(shù)仍然可以在柵極驅(qū)動電流和功率開關(guān)節(jié)點之間實現(xiàn)可接受程度的分離。推薦 PCB 布線設(shè)計示例如圖 6 所示，可以看到高壓側(cè) GaNFET 柵極驅(qū)動返回電流與功率開關(guān)節(jié)點電流有效分隔。無論何種類型的 GaNFET 封裝，其設(shè)計目標都是避免 NCP51820 和支持電路接觸到流過功率級的潛在破壞性開關(guān)電壓和電流。
圖6. 無源極開爾文引腳的 GaNFET 布線
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