在訂購LMG5200評估模塊（EVM）之前，請確認您的試驗臺設備可準確測量基于GaN（美國能源部認為是“基礎性”技術(shù)，可更好地利用我們的能源資源）的寬帶隙（WBG）半導體產(chǎn)品，如LMG5200。如果您的設備看起來(lái)像此處展示的設備，那么您可能需要升級您的觀(guān)察儀器和探針。

 

測量WBG半導體的電壓轉換需要具有足夠測量帶寬的設備。示波器帶寬的特點(diǎn)是擁有-3dB的頻率 —— 在該頻率下正弦波（顯示在示波器上）的幅度已下降到輸入信號的1/√2或0.707。一般而言，如果輸入信號的帶寬等于觀(guān)察儀器的帶寬，那么示波器會(huì )有30％的振幅衰減誤差。如果您在使用數字存儲示波器（DSO），則采樣率會(huì )強行增加其它限制條件。例如，當所有的四個(gè)通道都被占用并且奈奎斯特采樣定理要求適用時(shí)，一個(gè)四通道、1Gs/秒的DSO通常僅擁有250Ms/秒的能力！作為一個(gè)經(jīng)驗法則，如果觀(guān)察儀器的額定帶寬是X，那么您能如實(shí)測量（誤差在3％以?xún)龋┑淖畲笮盘栴l率是X/3。要使誤差僅為1％，您的信號帶寬應該不超過(guò)X/5。

 

此外，示波器探針也會(huì )增加測量的誤差，可將其建模成一個(gè)電阻器—電容器（RC）低通電路。更重要的是，在測量開(kāi)關(guān)轉換時(shí)您不是在看一個(gè)純正弦波，那么開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上升和下降時(shí)間的有效帶寬是多少呢？在數學(xué)上，您可以把探針的輸出估值為應用的電壓步驟，如方程式1所示：

 

Vout = Vin（1-e^t/RC）（1）

 

上升時(shí)間在很多時(shí)候按輸出轉換（其最終值的10％至90％）來(lái)表示。采用方程式1時(shí)，10％的點(diǎn)當時(shí)是0.1RC，90％的點(diǎn)是2.3RC，并且由于探針的時(shí)間常數是1/2πfRC，所以帶寬的表達式可以被確定。

 

RC = tr/(t90% - t10%) = tr/2.2RC = 1/2πf                 (2)

 

因此所需要的帶寬可通過(guò)這樣的算式計算得出：帶寬 = 0.35/tr

 

這種關(guān)系使您能根據上升時(shí)間來(lái)評估信號的等效帶寬。例如，倘若您希望自己的GaN器件在500ps的時(shí)間內打開(kāi)，那么您需要一個(gè)能實(shí)現0.35/500ps（700MHz）的觀(guān)察儀器 —— 而且您還需要一個(gè)至少有那么多帶寬的探針。知道您的探針和觀(guān)察儀器帶寬，您就可以申請一個(gè)和的平方根（RSS），以便基于本文中所述相關(guān)測量設備的統計誤差來(lái)評估實(shí)際上升時(shí)間。

 

為了確認預期的需求，筆者評估了三種測量設置。第一種設置具有100MHz/500Ms/秒的手持式TekScope；第二種設置是500MHz/2.5Gs/秒的DPO4051；第三種設置是1GHz/5Gs/秒的MDO4104-6。經(jīng)過(guò)筆者的設置，LMG5200在電流為5A時(shí)可將24V的電壓轉換成12V的電壓。開(kāi)關(guān)頻率被設定為1MHz；52％的占空比很有必要，因為需補償功率級的損失。筆者測得功率轉換的效率為～96％。

 

為測定上升時(shí)間，筆者使用了觀(guān)察儀器游標。如果想用觀(guān)察儀器來(lái)計算上升時(shí)間，一定要設置采樣率以采集足夠數量的數據點(diǎn)。奈奎斯特定理要求至少有兩到三個(gè)采樣點(diǎn)，但筆者建議在上升沿要有四個(gè)或五個(gè)采樣點(diǎn)。這表明，如果上升時(shí)間少于1ns，那么即便是5Gs/秒的采樣能力仍將是微不足道的。

 

探針帶寬同樣重要；即使筆者的探針帶寬為1GHz，仍會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)的誤差。注意，在一些情況下，觀(guān)察儀器具備的能力可能超過(guò)規定標準也可能低于規定標準，這取決于制造商、設置校準以及觀(guān)察儀器和探針的老化程度。根據測試筆者會(huì )說(shuō)，為了測量WBG開(kāi)關(guān)轉換，1GHz的系統帶寬是絕對最低要求。

 

那么，筆者有什么發(fā)現呢？采用本文中描述的低電感探測技術(shù)，圖1所示100MHz的觀(guān)察儀器測得的上升時(shí)間為3ns —— 這顯然是不夠準確的測定值，因為當與圖2所示1GHz帶寬的系統的測定值相比較時(shí)，您會(huì )發(fā)現后者測得的上升時(shí)間為780ps。而500MHz的觀(guān)察儀器測得的上升時(shí)間為1ns。

 

圖1：100MHz的觀(guān)察儀器系統（可測量LMG5200開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，同時(shí)還可在1MHz的頻率下將24V的電壓轉換成12V的電壓，上升時(shí)間等于3ns）

 

圖2：LMG5200開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的100 GHz觀(guān)察儀器系統（可在1MHz的頻率下將24V的電壓轉換成12V的電壓，上升時(shí)間等于780ns）

 

采用前面討論的RSS方法，可計算出：780ps的測定值仍比使用更高帶寬的系統的測定值慢29％。為了準確測定上升時(shí)間（誤差在1％以?xún)龋?，需?GHz的系統測量帶寬！假如這種設備可用，那么筆者測得的780ps的上升時(shí)間本來(lái)可以是600ps —— 那是40V/ns的壓擺率！在下一篇文章中，筆者將考察精心挑選組件和布局的重要性，以最大限度地減少與這種dv/dt相關(guān)的輻射發(fā)射。

 

 

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