【導讀】在zai高gao效xiao能neng電dian源yuan設she計ji中zhong
，死si區qu時shi間jian的de精jing準zhun控kong製zhi是shi平ping衡heng效xiao率lv與yu可ke靠kao性xing的de關guan鍵jian。傳chuan統tong方fang案an依yi賴lai固gu定ding的de控kong製zhi器qi延yan遲chi或huo繁fan瑣suo的de外wai部bu調tiao整zheng，不bu僅jin調tiao試shi耗hao時shi，更geng難nan以yi適shi配pei不bu同tongGaN FET的動態特性
，潛藏著過驅損壞的風險。本文將深入智能GaN降壓控製器設計的核心環節
，聚焦於其先進的配置與優化策略。通過闡述如何精確測量並協同優化導通/關斷擺率與延遲
，我們旨在幫助工程師突破傳統局限，在提升係統功率密度的同時
，最大化能效並堅固開關元件的安全邊界。

摘要

在zai高gao效xiao能neng電dian源yuan設she計ji中zhong
，死si區qu時shi間jian的de精jing準zhun控kong製zhi是shi平ping衡heng效xiao率lv與yu可ke靠kao性xing的de關guan鍵jian。傳chuan統tong方fang案an依yi賴lai固gu定ding的de控kong製zhi器qi延yan遲chi或huo繁fan瑣suo的de外wai部bu調tiao整zheng，不bu僅jin調tiao試shi耗hao時shi
，更geng難nan以yi適shi配pei不bu同tongGaN FET的動態特性，潛藏著過驅損壞的風險。本文將深入智能GaN降壓控製器設計的核心環節
，聚焦於其先進的配置與優化策略。通過闡述如何精確測量並協同優化導通/關斷擺率與延遲
，我們旨在幫助工程師突破傳統局限
，在提升係統功率密度的同時
，最大化能效並堅固開關元件的安全邊界。

引言

本ben係xi列lie文wen章zhang的de第di一yi部bu分fen討tao論lun了le理li解jie開kai關guan電dian源yuan底di層ceng物wu理li原yuan理li的de重zhong要yao性xing，並bing介jie紹shao了le如ru何he通tong過guo物wu理li手shou段duan適shi當dang地di測ce量liang器qi件jian的de性xing能neng表biao現xian。在zai實shi驗yan台tai上shang搭da建jian好hao電dian路lu之zhi後hou，真zhen正zheng的de工gong作zuo就jiu開kai始shi了le。與yu單dan芯xin片pianICshejibutong，kongzhiqiyongyuqudonggezhongkaiguanqijian
，yincibixujinxingyidingchengdudetiaozhengyiquebaodadaozuijiaxingneng。ruguoceliangjishubuzaishiwenti
，zhajihekaiguanboxingjiangnengtigongyoujiazhidexinxi，zhichunaxieyuanjianzhixuyaoxiugai
，yifangzhisunhuaidanhuajia(GaN) FET，並促使運行效率達到最優。

優化柵極連接

為了抑製峰值過衝
，應當增大柵極上拉電阻的值。如果柵極緩慢上升且無過衝，則FET不bu會hui受shou損sun，但dan控kong製zhi器qi會hui延yan遲chi導dao通tong或huo關guan斷duan以yi維wei持chi設she定ding的de死si區qu時shi間jian，從cong而er導dao致zhi與yu過guo大da柵zha極ji電dian阻zu相xiang關guan的de轉zhuan換huan損sun耗hao增zeng加jia。為wei了le解jie決jue這zhe個ge問wen題ti
，應ying當dang減jian小xiao柵zha極ji上shang拉la電dian阻zu。請qing參can見jian圖tu1來了解柵極電阻對波形的影響。上方波形顯示了使用純PCB走線的柵極測量結果，即頂部和底部柵極（TG和BG走線）的上拉和下拉電阻均為0 Ω。下方波形顯示了頂部和底部柵極的上拉和下拉電阻均為10 Ω的測量結果。考慮到理想開關應實現瞬時轉換，因此在整個輸入電壓和輸出電流範圍內，快速上升且略有過衝（在限值以內）的de波bo形xing，比bi過guo阻zu尼ni的de柵zha極ji波bo形xing更geng為wei可ke取qu。柵zha極ji下xia降jiang波bo形xing過guo衝chong同tong樣yang可ke以yi通tong過guo增zeng大da或huo減jian小xiao柵zha極ji下xia拉la電dian阻zu來lai調tiao整zheng。中zhong間jian波bo形xing在zai以yi上shang兩liang種zhong情qing況kuang之zhi間jian取qu得de了le良liang好hao的de平ping衡heng：一方麵避免了與0 Ω情況相關的過衝，另一方麵又不至於像10 Ω情況那樣為消除全部過/下衝而引入過多延遲。上拉/下拉線路分離的一個主要優點是能夠分別調整每個電阻。請注意
，在圖1的中間波形中，2 Ω上拉電阻足以抑製過衝；但在圖2中，隻需1 Ω下拉電阻，即可糾正頂部和底部柵極的上方波形所示的下衝。

圖1.串聯電阻對柵極擺率（SW上升）的影響。TG：頂部柵極；BG：底部柵極。上方圖形顯示利用PCB走線進行柵極連接(0 Ω)的測量結果。中間圖形顯示優化柵極電阻的測量結果。下方圖形顯示所有柵極皆有10 Ω電阻與柵極驅動引腳串聯的測量結果。對於SW節點上升
，最關鍵的值是RTGPULL-UP。

圖2.串聯電阻對柵極擺率（SW下降）的影響。TG：頂部柵極；BG：底部柵極。上方圖形顯示利用PCB走線進行柵極連接(0 Ω)的測量結果。中間圖形顯示優化柵極電阻的測量結果。下方圖形顯示所有柵極皆有10 Ω電阻與柵極驅動引腳串聯的測量結果。對於SW節點下降，最關鍵的值是RTGPULL-DOWN。

bujubudanghuozhajidianzuzunishejiguoyubaoshou，douhuidailaibulianghouguo。jishicongyuzhijiaodubaozhengsiqushijianjiejinyuling
，ruozhuanhuanshijianjiaochang
，zhuanhuansunhaoyehuizengjia，jinerqinzhanzhengtixiaolvyusuan。caiyongFLIR成像裝置進行的熱分析證實了這一點。圖3非常清楚地顯示，在之前的測量中
，0 Ω和10 Ω電阻之間的溫升接近40°C。這表明在FETchengshoudereyinglishangweichaoguoxianzhizhiqian

，keyonggonglvyusuanyijingchuxiansunshi。haiyouyigexuyaoguanzhudewentishi，dibuzhajikenenghuixujiadaotong。zhezhongxianxiangbiaoxianweizhenlingboxingchuxianyichangpengzhang，zhujianjiejindibuFET的閾值電壓。兩個FET同時導通絕非好現象！LTC7890和LTC7891具有低阻抗柵極驅動器，有助於防止這種情況，但仍應優化底部柵極下拉電阻。優化柵極驅動電平的過程可確保FET在所有條件下都能使用智能近零死區時間安全切換，但其他模式或死區時間應如何驗證呢？

圖3.柵極電阻引起的轉換損耗的熱圖像。上方圖像是在24 VIN、12 VOUT、10 A條件下獲得的，所有柵極走線使用PCB走線電阻，導致頂部FET的峰值溫度為52.1°C。下方圖像是在相同條件下獲得的
，不過所有柵極走線使用10 Ω電阻。頂部FET溫度升高至93.4°C，輸出功率未增加。

選擇死區時間延遲

在某些情況下，設計人員可能會選擇或被要求使用一定量的死區時間。LTC7890和LTC7891具有三種死區時間控製模式，如表1所suo示shi。智zhi能neng近jin零ling死si區qu時shi間jian伺si服fu模mo式shi以yi嚴yan格ge的de時shi序xu控kong製zhi適shi當dang的de柵zha極ji

，確que保bao不bu會hui殘can留liu任ren何he破po壞huai性xing的de能neng量liang水shui平ping。自zi適shi應ying柵zha極ji到dao柵zha極ji死si區qu時shi間jian模mo式shi使shi用yong柵zha極ji本ben身shen存cun在zai的de開kai爾er文wen檢jian測ce閾yu值zhi，將jiang死si區qu時shi間jian穩wen定ding控kong製zhi在zai默mo認ren的de20 ns。RSET可編程死區時間模式使用相同的內部邏輯，但允許將默認的20 ns值在7 ns到60 ns範圍內進行精密調整。如果使用另外兩種配置中的任一種，則需要使用柵極信號將觸發閾值設置為1 V，以驗證時序是否按預設執行。

表1.DTC模式配置

xuanzesiqushijianshi
，xuyaoquanhengduogeyinsu。weilejinkenengjiangdisunhao，yingshiyongzhinengjinlingsiqushijianbingyikaozhinengjiancehesifujiagou，yizuigaoxiaolvshixianjinkenenggaodegonglvmidu。lejieruheshezhibingtongguoshidangdeceliangyanzhengsiqushijianyijiejinlingzhihou
，zhetongchangshizuijiaxuanze。tu4顯示了在優化柵極電阻的情況下，近零死區時間的實際效果。沒有可見的反向導通時間
，並且沒有使用並聯肖特基二極管來保護GaN FET，避(bi)免(mian)了(le)額(e)外(wai)的(de)損(sun)失(shi)。因(yin)此(ci)，電(dian)路(lu)效(xiao)率(lv)達(da)到(dao)最(zui)大(da)，熱(re)應(ying)力(li)降(jiang)至(zhi)最(zui)小(xiao)。然(ran)而(er)
，如(ru)果(guo)設(she)計(ji)規(gui)範(fan)要(yao)求(qiu)比(bi)近(jin)零(ling)更(geng)長(chang)的(de)某(mou)個(ge)有(you)限(xian)量(liang)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)，則(ze)可(ke)使(shi)用(yong)自(zi)適(shi)應(ying)模(mo)式(shi)，它(ta)支(zhi)持(chi)靈(ling)活(huo)設(she)置(zhi)任(ren)意(yi)值(zhi)，以(yi)獲(huo)得(de)所(suo)需(xu)的(de)舒(shu)適(shi)裕(yu)度(du)。不(bu)過(guo)，這(zhe)會(hui)導(dao)致(zhi)GaN FET功率損耗增加
，產生更多熱量，如圖5所示。造成這種額外要求的原因可能是管理層在工程上的保守策略
，或者工程師不願過度偏離傳統的MOSFET設計規範。無論如何

，LTC7890和LTC7891都為用戶提供了充分的選擇自由
，以適應各種具體需求。當死區時間延長時，務必使用熱成像設備，記錄極端工作條件下FET的效率和峰值熱點溫度。此舉是為了在預期的工作環境條件下
，維持必要的熱裕度。與柵極電阻一樣
，死區時間對FET承受的峰值熱應力有直接而明顯的影響。在12 VOUT

、10 A的測試條件下
，使用優化的柵極電阻時，頂部FET的峰值溫度為56.3°C。這意味著，相對於0 Ω PCB走線
，溫度上升了3°C
，但考慮到瞬態期間不存在過壓應力導致FET損壞，這樣的溫升是合理的。然而，當使用RSET模式將死區時間增加到35 ns（無智能近零或自適應控製的控製器的常見值）時，在相同輸出功率下
，溫度增加10°C以上
，達到66.5°C
，而且兩個FET上都是如此（圖6）。顯(xian)然(ran)
，在(zai)這(zhe)方(fang)麵(mian)采(cai)取(qu)保(bao)守(shou)策(ce)略(lve)的(de)代(dai)價(jia)是(shi)效(xiao)率(lv)降(jiang)低(di)和(he)熱(re)量(liang)增(zeng)加(jia)，進(jin)而(er)壓(ya)縮(suo)功(gong)耗(hao)預(yu)算(suan)。如(ru)果(guo)采(cai)用(yong)智(zhi)能(neng)近(jin)零(ling)功(gong)能(neng)，等(deng)量(liang)的(de)熱(re)損(sun)耗(hao)便(bian)可(ke)轉(zhuan)化(hua)為(wei)數(shu)十(shi)瓦(wa)的(de)額(e)外(wai)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)。因(yin)此(ci)，在(zai)確(que)定(ding)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)的(de)舒(shu)適(shi)裕(yu)度(du)時(shi)，究(jiu)竟(jing)應(ying)優(you)先(xian)遵(zun)循(xun)傳(chuan)統(tong)做(zuo)法(fa)
，還(hai)是(shi)優(you)先(xian)考(kao)慮(lv)實(shi)證(zheng)數(shu)據(ju)

？這(zhe)值(zhi)得(de)我(wo)們(men)深(shen)思(si)。

圖4.智zhi能neng近jin零ling死si區qu時shi間jian控kong製zhi轉zhuan換huan
，使shi用yong優you化hua的de柵zha極ji電dian阻zu。請qing注zhu意yi，使shi能neng此ci模mo式shi主zhu動dong控kong製zhi死si區qu時shi間jian時shi，開kai關guan節jie點dian上shang沒mei有you顯xian示shi可ke見jian的de反fan向xiang導dao通tong區qu域yu。

圖5.35 ns死區時間RSET模式轉換
，使用優化的柵極電阻。死區時間控製精確，但開關波形中反映的反向導通周期在2 V時清晰可見，由此產生了相當大的損耗。

圖6.死區時間模式導致的轉換損耗的熱圖像。上方圖像是在24 VIN、12 VOUT
、10 A條件下獲得的，使用智能近零死區時間模式和優化的柵極電阻，導致頂部FET的峰值溫度為56.3°C。下方圖像是在相同條件下獲得的，不過使用RSET模式
，配置了35 ns（典型值）死區時間。兩個FET的溫度均升至66.5°C，輸出功率未增加。

開發過程中，可以從ADIgongsitigongdepinggucankaoshejirushou

，dajianhelidebuju。ranhou，tongguoyanjindejizhunceliangjishulaiceliangheyanzhengsheji。ruci，kaifazhezuizhongjianghuodeyigeshihechanpinhuadekekaoshejidianlu。zaiciguochengzhong，anzhaobenwensuoshudechengxuhejishushoujishuju，kequebaoshujushizhunquekexinde。shenrulijiegezhongquanhengyinsujiqipinghengfangfazhihou
，gongchengshinenggougenghaodijuedingcaiyonghezhonggongzuomoshi、shiyongshenmewaibuyuanjianzhi，gengzhongyaodeshi
，qingchudizhidaoweiheyaozuochuzhexiejuece。zheyangyilai，bujinnengsuoduanshejizhouqi，jianshaoangguidediedaiguocheng，hainengyouxiaojianshaoxitongshejizhongdecuozhe。

結語

在寬帶隙技術領先廠商的持續推動下，GaN技術正迅速發展，每一代產品的CG × RDS(ON)品質因數都有提升。雖然器件尺寸、電dian容rong和he導dao通tong電dian阻zu會hui隨sui著zhe每mei次ci迭die代dai而er發fa生sheng變bian化hua
，但dan對dui運yun行xing狀zhuang況kuang進jin行xing可ke靠kao測ce量liang與yu驗yan證zheng的de正zheng確que方fang法fa始shi終zhong未wei變bian。為wei了le確que保bao設she計ji穩wen健jian
，並bing在zai極ji端duan工gong況kuang下xia具ju有you足zu夠gou的de安an全quan裕yu度du
，在zai試shi驗yan台tai上shang對dui原yuan型xing進jin行xing運yun行xing驗yan證zheng仍reng然ran是shi不bu可ke替ti代dai的de關guan鍵jian環huan節jie。如ru果guo設she計ji方fang案an符fu合he數shu據ju手shou冊ce的de指zhi導dao原yuan則ze，布bu局ju布bu線xian嚴yan格ge參can考kao了le評ping估gu板ban方fang案an，測ce量liang方fang法fa也ye依yi據ju本ben文wen提ti供gong的de建jian議yi進jin行xing
，那na麼me“一次成功、無需返工”的可能性將大大提高。

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