【導讀】同步轉換器的工作原理是交替切換控製開關和同步開關器件（通常是FET）的通斷狀態。時序的微小偏差，在納秒尺度上便會引發兩難困境：若兩個開關管導通切換的間隙（死區時間）過長

，係統效率會因GaN器件特有的高反向導通壓損而大幅下降；若此間隙過短，則可能發生致命的“直通”現象，導致電流直衝、器件瞬間過熱損毀。因此，突破傳統固定死區時間的局限，通過智能、自適應的控製策略與精準的測量手段來動態優化這一刻度，已成為釋放GaN全部潛能、革新下一代高密度電源設計的決勝關鍵。本文是關於智能GaN降壓控製器設計的兩篇文章中的第一篇，討論了所涉及的動態特性及其正確測量方法。

摘要

同步轉換器的工作原理是交替切換控製開關和同步開關器件（通常是FET）的通斷狀態。時序的微小偏差，在納秒尺度上便會引發兩難困境：若兩個開關管導通切換的間隙（死區時間）過長
，係統效率會因GaN器件特有的高反向導通壓損而大幅下降；若此間隙過短，則可能發生致命的“直通”現象
，導致電流直衝
、器件瞬間過熱損毀。因此，突破傳統固定死區時間的局限
，通過智能、自適應的控製策略與精準的測量手段來動態優化這一刻度
，已成為釋放GaN全部潛能、革新下一代高密度電源設計的決勝關鍵。本文是關於智能GaN降壓控製器設計的兩篇文章中的第一篇

，討論了所涉及的動態特性及其正確測量方法。

引言

在電源轉換領域引入氮化镓(GaN)等寬帶隙FET器件，能夠實現更高的能量密度
、更快的開關速度和更低的損耗
，這主要得益於這類器件顯著降低的柵極電容(Cg)。然而，GaN FET的VGS限(xian)製(zhi)非(fei)常(chang)嚴(yan)格(ge)，且(qie)其(qi)不(bu)具(ju)備(bei)體(ti)二(er)極(ji)管(guan)。因(yin)此(ci)，如(ru)果(guo)為(wei)了(le)避(bi)免(mian)柵(zha)極(ji)振(zhen)鈴(ling)而(er)降(jiang)低(di)柵(zha)極(ji)擺(bai)率(lv)
，則(ze)在(zai)較(jiao)長(chang)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)下(xia)，反(fan)向(xiang)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)會(hui)大(da)幅(fu)增(zeng)加(jia)。此(ci)外(wai)，GaN FET同樣容易遭受直通效應的有害影響。因此
，為了充分利用這類器件，必須優化死區時間。來看一下圖1所示的典型應用。這是一種15 V至36 VIN、12 V/15 A降壓轉換器，采用LTC7891。這款器件專門設計用於驅動GaN器件。我們將以此應用電路為例，探討如何準確測量死區時間和過衝，同時優化柵極電阻。

圖1.800 kHz、15 V到36 VIN
、12 V降壓型穩壓器提供高達15 A的輸出

關於開關操作的考慮因素

這款降壓轉換器具有智能近零死區時間，其開關網絡由驅動控製開關Q1頂部柵極(TG)和同步開關Q2底部柵極(BG)的控製器組成。頂部柵極通過單獨的上拉/下拉電阻（TGUP、TGDN）驅動
，底部柵極通過單獨的上拉/下拉電阻（BGUP

、BGDN）驅動。每個開關周期中的開關電流利用輸出濾波器網絡L1和COUT進行平均

，產生一個穩定輸出電壓。

理想轉換器的開關沒有能量損耗
，其通斷會瞬時完成且完全同步。然而
，雖然GaN FET因(yin)其(qi)低(di)電(dian)容(rong)而(er)能(neng)夠(gou)比(bi)其(qi)他(ta)技(ji)術(shu)更(geng)快(kuai)地(di)導(dao)通(tong)和(he)關(guan)斷(duan)，但(dan)在(zai)控(kong)製(zhi)器(qi)指(zhi)令(ling)開(kai)關(guan)導(dao)通(tong)與(yu)開(kai)關(guan)達(da)到(dao)完(wan)全(quan)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)之(zhi)間(jian)仍(reng)存(cun)在(zai)延(yan)遲(chi)。開(kai)關(guan)的(de)關(guan)斷(duan)也(ye)是(shi)如(ru)此(ci)。由(you)於(yu)這(zhe)種(zhong)延(yan)遲(chi)

，開(kai)關(guan)存(cun)在(zai)轉(zhuan)換(huan)損(sun)耗(hao)，構(gou)成(cheng)了(le)開(kai)關(guan)操(cao)作(zuo)總(zong)損(sun)耗(hao)中(zhong)不(bu)可(ke)忽(hu)略(lve)的(de)重(zhong)要(yao)部(bu)分(fen)。這(zhe)些(xie)損(sun)耗(hao)會(hui)轉(zhuan)化(hua)為(wei)開(kai)關(guan)熱(re)量(liang)，從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)效(xiao)率(lv)，並(bing)最(zui)終(zhong)對(dui)FET的運行施加熱限製。如何有效應對這些由非理想開關施加的限製呢
？

如果兩個開關同時完全導通（哪怕持續時間非常短暫），低RDS(ON)將造成VIN與GNDzhijianduanlu，zuizhongjiangdaozhikaiguanchedishixiao。ruguolianggekaiguanjunchuyubufendaotongzhuangtai，gaoloudianliujiangdaozhishunshigaowen
，cixianxianghuizhishikaiguanchengshoureyingli，jinersuoduanqishiyongshouming。zhezhongqingkuangjiushisuoweide“直通”（圖2）。在初始切換階段，大約有8 ns的死區時間，開關電流首先以正常di/dtsulvdadaoshurudianliushuiping，suihousuizhedianganchongdianerzhujianshangsheng。xiayizhuanhuanjieduanjuyouduichengdeshangshengyanhexiajiangyan，lianggejingtiguankeyitongshichuyubufendaotongzhuangtai，daozhiloujidianliuchuxianmingxiandejianfeng
，danrengdiyuI(DS)MAX。最後的轉換階段允許導通時間重疊2 ns
，漏極電流尖峰遠超FET額定漏極電流。

圖2.死區時間不足導致的直通

weilebimianzhezhongqingkuang，kongzhiqiguanduanyigekaiguanhou
，yingyanchilingyigekaiguandedaotong，ciyanchishijianbeichengweisiqushijian。zhiyoushedingdesiqushijianzugouchang，shiqijianyouzugoushijianwanchengwanquandaotonghewanquanguanduanzhuangtaidezhuanhuan
，cainengfangzhizhitongxianxiang（圖2）。但是，如果此時間過長會發生什麼？MOSFET具有寄生二極管
，它會在FET仍處於關斷狀態的同時
，箝位開關節點並防止反向擊穿。FET完全導通所需的時間越長
，這種暫態VF × IDS功率損耗對效率的影響就越大。隻有當FET完全導通後，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構。在反向電壓下

，GaN FET會箝位在高得多的電位，橫向晶體管結構的典型箝位電壓為2 V。這意味著
，即使是適中的死區時間，也會造成過高的功率損耗，因此GaN FET控製器需要盡可能減少死區時間。為了解決這一問題，基於MOSFET的設計通常在同步開關的MOSFET兩端並聯一個肖特基二極管

，以降低死區期間的正向壓降。然而
，在GaN所適用的高頻開關應用中，二極管的結電容會迅速成為損耗的主要來源。與這些考慮因素相關的利弊權衡如表1所示。

表1.48 V至12 V
、500 kHz FSW、20 ns死區時間下的損耗

表2.DTC模式配置

基於GaN的設計現在似乎陷入了兩難境地。死區時間設定過短，可能導致直通故障，使開關器件瞬間損毀；而er死si區qu時shi間jian設she定ding過guo長chang
，則ze可ke能neng引yin發fa過guo熱re，導dao致zhi器qi件jian因yin焊han點dian失shi效xiao而er從cong電dian路lu板ban脫tuo落luo。如ru何he在zai高gao效xiao轉zhuan換huan與yu充chong足zu安an全quan裕yu度du之zhi間jian取qu得de適shi當dang的de平ping衡heng？解jie決jue這zhe一yi難nan題ti的de最zui簡jian單dan方fang法fa
，或huo許xu是shi選xuan用yong具ju備bei智zhi能neng近jin零ling死si區qu時shi間jian或huo芯xin片pian級ji自zi適shi應ying死si區qu特te性xing的de轉zhuan換huan器qi。LTC7890和LTC7891降壓控製器分別是雙通道/單通道降壓設計
，專門用於驅動GaN FET
，具有引腳可選的智能近零死區時間、自適應死區時間和精密電阻可調死區時間控製選項。這種架構能夠巧妙地測量實際VGS和VSW電(dian)平(ping)，從(cong)而(er)智(zhi)能(neng)地(di)控(kong)製(zhi)時(shi)序(xu)，確(que)保(bao)驅(qu)動(dong)任(ren)何(he)器(qi)件(jian)時(shi)都(dou)能(neng)實(shi)現(xian)精(jing)確(que)性(xing)和(he)安(an)全(quan)性(xing)。其(qi)核(he)心(xin)在(zai)於(yu)通(tong)過(guo)快(kuai)速(su)調(tiao)整(zheng)來(lai)精(jing)準(zhun)控(kong)製(zhi)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)。與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)開(kai)環(huan)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)不(bu)同(tong)，它(ta)會(hui)實(shi)時(shi)調(tiao)整(zheng)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)，確(que)保(bao)開(kai)關(guan)的(de)導(dao)通(tong)和(he)關(guan)斷(duan)完(wan)全(quan)按(an)照(zhao)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)指(zhi)令(ling)發(fa)生(sheng)，而(er)非(fei)受(shou)柵(zha)極(ji)信(xin)號(hao)、寄生柵極電阻和電容所左右。這樣不僅能有效降低反向導通損耗
，還能充分利用GaN固有的近零反向恢複損耗特性。關於這些工作模式的完整指南，請參見表2。用戶隻需驗證設定的模式和時序是否正確實現。不過，驗證過程本身也存在一些挑戰，設計人員必須首先解決這些挑戰。

測量和布局考慮因素

要準確測量死區時間和過衝波形，必須高度重視探測技術及其實施。相對於MOSFET，GaN FET具有非常嚴格的VGS限製，其典型值為5 V，而ABSMAX為+6 V到-4 V。強柵極驅動結合寄生電抗元件會導致振鈴
，即便短暫的電壓偏移也可能損壞GaN器件。與MOSFET相比，GaN柵極對驅動引腳展現出更低的電容
，這一特性使GaN在(zai)高(gao)頻(pin)應(ying)用(yong)中(zhong)更(geng)有(you)優(you)勢(shi)。然(ran)而(er)，探(tan)頭(tou)本(ben)身(shen)會(hui)引(yin)入(ru)寄(ji)生(sheng)電(dian)抗(kang)元(yuan)件(jian)
，可(ke)能(neng)會(hui)使(shi)波(bo)形(xing)失(shi)真(zhen)，導(dao)致(zhi)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)無(wu)法(fa)準(zhun)確(que)反(fan)映(ying)柵(zha)極(ji)在(zai)未(wei)被(bei)探(tan)測(ce)時(shi)的(de)真(zhen)實(shi)表(biao)現(xian)。用(yong)手(shou)握(wo)住(zhu)探(tan)頭(tou)並(bing)使(shi)用(yong)最(zui)少(shao)的(de)輔(fu)助(zhu)設(she)備(bei)，是(shi)一(yi)種(zhong)存(cun)在(zai)較(jiao)大(da)風(feng)險(xian)的(de)做(zuo)法(fa)。手(shou)一(yi)旦(dan)滑(hua)脫(tuo)，後(hou)果(guo)可(ke)能(neng)相(xiang)當(dang)嚴(yan)重(zhong)。傳(chuan)統(tong)的(de)鱷(e)魚(yu)夾(jia)引(yin)線(xian)也(ye)不(bu)適(shi)合(he)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)。如(ru)果(guo)頂(ding)部(bu)柵(zha)極(ji)和(he)開(kai)關(guan)節(jie)點(dian)的(de)回(hui)流(liu)路(lu)徑(jing)設(she)置(zhi)合(he)理(li)，傳(chuan)統(tong)上(shang)推(tui)薦(jian)使(shi)用(yong)定(ding)製(zhi)尾(wei)纖(xian)探(tan)測(ce)技(ji)術(shu)，以(yi)獲(huo)得(de)良(liang)好(hao)的(de)示(shi)波(bo)器(qi)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)（圖3）。但對於浮空頂部柵極，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(tan)頭(tou)尖(jian)端(duan)的(de)排(pai)針(zhen)。底(di)部(bu)柵(zha)極(ji)可(ke)將(jiang)接(jie)地(di)端(duan)作(zuo)為(wei)基(ji)準(zhun)，而(er)頂(ding)部(bu)柵(zha)極(ji)可(ke)將(jiang)開(kai)關(guan)作(zuo)為(wei)基(ji)準(zhun)
，因(yin)此(ci)必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)某(mou)種(zhong)形(xing)式(shi)的(de)隔(ge)離(li)探(tan)頭(tou)。在(zai)頂(ding)部(bu)柵(zha)極(ji)的(de)測(ce)量(liang)中(zhong)，光(guang)學(xue)探(tan)頭(tou)（例如Tektronix TIVP或漂移更小的新型TICP）可以提供這種隔離，並利用MMCX連接器。圖4顯示了一個正在進行的典型LTC7891死區測量設置

，MMCX連接器位於FET柵極引腳正下方，並耦合到1 GHz光學探頭。

圖3.對底部柵極和開關應用適當的探頭技術，有效降低振鈴偽影

圖4.Tektronix TIVP100光學探頭通過MMCX連接器連接到頂部柵極

連接器本身是就是一種權衡的體現。表麵貼裝MMCX連接器會占用電路板空間
，這對於那些要求緊湊布局和高功率密度的設計而言，無疑是一個問題。如果連接器被（理想地）直接部署於FET的(de)柵(zha)極(ji)和(he)源(yuan)極(ji)引(yin)腳(jiao)之(zhi)間(jian)，且(qie)不(bu)引(yin)入(ru)額(e)外(wai)的(de)柵(zha)極(ji)走(zou)線(xian)
，這(zhe)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)布(bu)局(ju)比(bi)預(yu)期(qi)更(geng)分(fen)散(san)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，若(ruo)將(jiang)連(lian)接(jie)器(qi)放(fang)置(zhi)在(zai)布(bu)局(ju)的(de)邊(bian)緣(yuan)，則(ze)會(hui)引(yin)入(ru)額(e)外(wai)的(de)走(zou)線(xian)電(dian)感(gan)和(he)電(dian)阻(zu)

，進(jin)而(er)降(jiang)低(di)測(ce)量(liang)準(zhun)確(que)度(du)。另(ling)一(yi)種(zhong)方(fang)案(an)是(shi)使(shi)用(yong)通(tong)孔(kong)接(jie)頭(tou)
，這(zhe)些(xie)接(jie)頭(tou)僅(jin)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)，在(zai)最(zui)終(zhong)裝(zhuang)配(pei)時(shi)可(ke)移(yi)除(chu)。但(dan)是(shi)，這(zhe)種(zhong)方(fang)案(an)需(xu)要(yao)借(jie)助(zhu)適(shi)配(pei)器(qi)，不(bu)僅(jin)會(hui)略(lve)微(wei)增(zeng)加(jia)寄(ji)生(sheng)效(xiao)應(ying)，還(hai)要(yao)在(zai)焊(han)盤(pan)堆(dui)疊(die)結(jie)構(gou)的(de)所(suo)有(you)層(ceng)上(shang)都(dou)預(yu)留(liu)環(huan)形(xing)開(kai)口(kou)。通(tong)過(guo)合(he)理(li)權(quan)衡(heng)各(ge)項(xiang)因(yin)素(su)並(bing)優(you)化(hua)電(dian)路(lu)布(bu)局(ju)
，可(ke)有(you)效(xiao)抑(yi)製(zhi)探(tan)頭(tou)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)引(yin)起(qi)的(de)過(guo)衝(chong)與(yu)振(zhen)鈴(ling)（圖5）。紅框中的原始布局將MMCX連接器牢固連接到開關節點
，柵極節點通過通孔和內部走線連接到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，但修改藍框中的布局
，將MMCX本體與開關節點分開，代之以開爾文連接，由此測得的藍色波形顯示，頂部柵極關斷時的振鈴幅度降低至+2.4 V/–1.8 V。值得注意的是，即使隻是對電路布局進行些許調整，也可能顯著影響過衝的測量結果，而這一參數對於抑製過衝並避免GaN FET被過度驅動至關重要。

圖5.頂部柵極關斷波形，顯示了探頭連接中寄生參數的影響。紅色：非開爾文連接
；藍色：基於開爾文連接的MMCX連接器。20 ns/div
、2 V/div使用Tektronix TIVH 1 GHz光學探頭。

一(yi)旦(dan)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)得(de)到(dao)驗(yan)證(zheng)，驗(yan)證(zheng)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)的(de)過(guo)程(cheng)便(bian)可(ke)開(kai)始(shi)。無(wu)論(lun)采(cai)用(yong)哪(na)種(zhong)探(tan)頭(tou)測(ce)量(liang)頂(ding)部(bu)波(bo)形(xing)，第(di)一(yi)步(bu)始(shi)終(zhong)是(shi)利(li)用(yong)一(yi)個(ge)公(gong)共(gong)信(xin)號(hao)源(yuan)，對(dui)探(tan)頭(tou)進(jin)行(xing)相(xiang)對(dui)於(yu)底(di)部(bu)信(xin)號(hao)的(de)去(qu)偏(pian)斜(xie)處(chu)理(li)。死(si)區(qu)時(shi)間(jian)是(shi)相(xiang)對(dui)的(de)，隻(zhi)要(yao)公(gong)共(gong)信(xin)號(hao)無(wu)任(ren)何(he)水(shui)平(ping)偏(pian)移(yi)，那(na)麼(me)一(yi)個(ge)通(tong)道(dao)相(xiang)對(dui)於(yu)另(ling)一(yi)個(ge)通(tong)道(dao)的(de)偏(pian)斜(xie)就(jiu)無(wu)關(guan)緊(jin)要(yao)。這(zhe)也(ye)有(you)助(zhu)於(yu)確(que)保(bao)增(zeng)益(yi)誤(wu)差(cha)和(he)失(shi)調(tiao)（光學探頭的常見問題）dedaojiuzheng，huozhezhishaozhidaocunzaiwuchaheshitiao

，yibianzaicelianghoujinxingtiaozheng。zaicaijiyongyujuecedeshujuzhiqian
，wubirangguangxuetantoudadaorewendingzhuangtai。ciwai
，tongchangjianyijilusuoyouzengyiheshitiaoshezhi。

完成設置後
，應在應力最低的電壓和電流下（降壓控製器使用較低VIN
，升壓控製器使用較高VIN）jinxingjixianceliang，ranhouzaitiaozhanshejidegonglvjixian。zhajiguochonghuisuizheshurudianyaheshuchudianliudebianhuaerbianhua，ruguoshejideyuduyouxian，zuihaozaidadaojixianyinglizhiqianfaxianbingjiuzhengguochongwenti。ruguoyongyuceshideshiboqijuyoucankaoguangbiao，jianyijiangguangbiaofangzhizaiGaN VG數shu據ju手shou冊ce規gui格ge的de上shang限xian和he下xia限xian處chu，以yi便bian直zhi觀guan地di查zha看kan可ke接jie受shou的de範fan圍wei。使shi用yong開kai關guan節jie點dian波bo形xing來lai觸chu發fa並bing疊die加jia頂ding部bu和he底di部bu柵zha極ji波bo形xing
，以yi獲huo得de死si區qu時shi間jian的de最zui佳jia圖tu像xiang。最zui好hao使shi用yong差cha分fen或huo光guang學xue探tan頭tou來lai測ce量liang頂ding部bu柵zha極ji波bo形xing。如ru果guo測ce量liang必bi須xu相xiang對dui於yu接jie地di端duan進jin行xing
，通tong常chang建jian議yi使shi用yong示shi波bo器qi波bo形xing數shu學xue函han數shu（如果可用），從頂部柵極節點輸入中減去開關節點，以獲得一個基於虛地的波形進行分析。

結語

本文概述了關於布局
、探測和數據采集的正確技術。掌握這些技術後，係統設計人員在采用LTC7890和LTC7891降壓控製器實現基於GaNdeshejishi
，jiangnenggengyoubawodiquebaoshejidewenjianxing。wanchengyuanxingdajianbingzaiceshitaishangzhunqueceliangboxinghou，shejirenyuanjiukeyixuanzepeizhi，ranhouyouhuazhajiqudongxinhao。zhefangmiandeneirongjiangzai“智能GaN降壓控製器設計——第2部分：配置和優化”中介紹。

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