【導讀】NCP51820 是一款 650 V、高速、半橋驅動(dòng)器，能夠以高達 200 V/ns 的 dV/dt 速率驅動(dòng)氮化鎵（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“GaN”） 功率開(kāi)關(guān)。只有合理設計能夠支持這種功率開(kāi)關(guān)轉換的印刷電路板 (PCB) ，才能實(shí)現實(shí)現高電壓、高頻率、快速dV/dt邊沿速率開(kāi)關(guān)的全部性能優(yōu)勢。本文將簡(jiǎn)單介紹NCP51820及利用 NCP51820 設計高性能 GaN 半橋柵極驅動(dòng)電路的 PCB 設計要點(diǎn)。
NCP51820 是一款全功能專(zhuān)用驅動(dòng)器，為充分發(fā)揮高電子遷移率晶體管 (HEMT) GaNFET 的開(kāi)關(guān)性能而設計。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(lèi)最佳的硅 MOSFET 相比，GaNFET 的柵極電荷、輸出電容和動(dòng)態(tài)導通電阻也大大降低。此外，GaNFET 沒(méi)有 PN結，因此漏極-源極上沒(méi)有本征寄生體二極管，也就沒(méi)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(xiàn)半橋功率拓撲、無(wú)橋 PFC 和單端有源箝位拓撲。這些功率級常常采用零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)，但也可以在硬開(kāi)關(guān)條件下采用大約 400V 的電壓工作。所有這些改進(jìn)使得 GaNFET 能夠以 MHz 范圍或接近該范圍的頻率開(kāi)關(guān)，漏源邊沿速率高達 100V/ns。能否實(shí)現基于 GaN 的功率級的最優(yōu)性能，在很大程度上取決于設計人員對寄生電路元件（如封裝電感、PCB 走線(xiàn)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(shí)，會(huì )有更明顯的響應，因此會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。
NCP51820 的 MLP 無(wú)引線(xiàn)功率封裝（圖 3）以及行業(yè)中的各種無(wú)引線(xiàn) GaNFET 功率封裝（圖 1 和圖 2），體現了為充分降低寄生電感所作的設計努力。同樣，必須特別注意 PCB 設計和元器件布局。為了充分發(fā)揮利用 NCP51820 驅動(dòng)高速半橋功率拓撲中使用的 GaN 功率開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢，有一些重要的 PCB 設計因素需要考慮，本白皮書(shū)將重點(diǎn)討論其中的一些重要注意事項。
HEMT GaN 和 NCP51820 封裝說(shuō)明
大多數 GaNFET 封裝包含一個(gè)專(zhuān)用源極開(kāi)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動(dòng)返回電流送回 NCP51820。較高電流的漏源引腳通過(guò)多條焊線(xiàn)焊接到多個(gè)焊盤(pán)，不過(guò)為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，圖 1 中的簡(jiǎn)化示意圖僅顯示了一條焊線(xiàn)連接。NCP51820 輸出和 GaNFET 柵源開(kāi)爾文引腳之間的接口必須是直接單點(diǎn)連接，該接口特別重要，如含有源極開(kāi)爾文引腳的 GaNFET 部分所述。
但是，并非所有 GaNFET 都包含一個(gè)專(zhuān)用源極開(kāi)爾文返回引腳，例如圖 2 所示的示例。對于不含源極開(kāi)爾文返回引腳的 GaNFET，為 PCB 設計中的柵極驅動(dòng)部分布線(xiàn)時(shí)必須特別注意。對于半橋功率級的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)連接，高壓側 GaNFET 的源極直接連接到低壓側 GaNFET 的漏極，構成一個(gè)承載高 di/dt 負載電流的高 dV/dt 節點(diǎn)。不建議直接使用此高壓開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的柵極驅動(dòng)返回引腳，如不含源極開(kāi)爾文引腳的 GaNFET 部分所述。
圖1. 含有源極開(kāi)爾文返回引腳的典型 GaN
圖2. 不含源極開(kāi)爾文返回引腳的典型 GaN
NCP51820 采用 4x4 mm 無(wú)引線(xiàn)封裝，所有邏輯電平輸入和編程功能都設置在 IC 右側，與策略性設置在 IC 其余三側的電源功能分開(kāi)?；谠O計策略安置引腳，以便必要時(shí)提供高壓隔離。以下 PCB 布局部分說(shuō)明，將充分展現 NCP51820 引腳分配的優(yōu)勢。
圖3. NCP51820 GaN 驅動(dòng)器引腳分配
PCB 設計策略概要
使用 GaNFET 開(kāi)始 PCB 設計時(shí)，最好根據優(yōu)先級考慮整個(gè)布局，如下所列。
1. 必須采用多層PCB設計，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設計方法。為了實(shí)現基于GaN的功率級的全部?jì)?yōu)勢，接地平面必須采取適當的布線(xiàn)或設計，而廉價(jià)的單層PCB設計無(wú)法做到。
2. 開(kāi)始時(shí)，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動(dòng)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(shí)使 HO 和 LO 柵極驅動(dòng)長(cháng)度盡可能匹配。為了避免高電流和高 dV/dt 流經(jīng)過(guò)孔，兩個(gè) GaNFET 最好和 NCP51820 位于 PCB 的同一面。
7. 應將 HO 和 LO 柵極驅動(dòng)視為兩個(gè)獨立的、相互電隔離的柵極驅動(dòng)電路。因此，HO 和 LO 各自都需要專(zhuān)用銅觸點(diǎn) (copper land) 返回平面，這些平面在第 2 層上，位于第 1 層柵極驅動(dòng)布線(xiàn)正下方。
電源環(huán)路、開(kāi)關(guān)節點(diǎn)、柵極驅動(dòng)環(huán)路的正確布線(xiàn)以及使用平面，對于順利完成 GaN PCB 設計至關(guān)重要。這部分內容如有需求，后續可能會(huì )推送新的文章配合插圖對每一項加以說(shuō)明。對于柵極驅動(dòng)器，正確的布線(xiàn)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。目的是設計一個(gè)精心考慮了適當接地，同時(shí)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(xiàn)
圖 4 突出顯示了 NCP51820 周?chē)年P(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(kāi)爾文引腳的GaNFET
許多 GaNFET 封裝包括一個(gè)專(zhuān)用源極開(kāi)爾文引腳，用于將柵極驅動(dòng)返回電流與功率開(kāi)關(guān)節點(diǎn)（高壓側）或電源地（低壓側）出現的較高電流和電壓電平隔離。對于具有專(zhuān)用源極開(kāi)爾文引腳的 GaNFET，柵極驅動(dòng)布線(xiàn)相當簡(jiǎn)單。推薦 PCB 布線(xiàn)設計示例如圖 5 所示，可以看到高壓側 GaNFET 柵極驅動(dòng)返回電流與功率開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電流有效分隔。
圖5. 源極開(kāi)爾文 GaNFET 布線(xiàn)
不含源極開(kāi)爾文引腳的GaNFET
有些 GaNFET 封裝不含專(zhuān)用源極開(kāi)爾文引腳，還必須要仔細考慮，將柵極驅動(dòng)返回電流與功率開(kāi)關(guān)節點(diǎn)（高壓側）或電源地（低壓側）出現的較高電流和電壓電平隔離。對于沒(méi)有專(zhuān)用源極開(kāi)爾文引腳的 GaNFET，應從 GaNFET 源極接出一段額外的銅蝕刻線(xiàn)，其唯一作用是將柵極驅動(dòng)返回電流送回 NCP51820。盡管不如專(zhuān)用開(kāi)爾文引腳連接那么有效，但這種布線(xiàn)技術(shù)仍然可以在柵極驅動(dòng)電流和功率開(kāi)關(guān)節點(diǎn)之間實(shí)現可接受程度的分離。推薦 PCB 布線(xiàn)設計示例如圖 6 所示，可以看到高壓側 GaNFET 柵極驅動(dòng)返回電流與功率開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電流有效分隔。無(wú)論何種類(lèi)型的 GaNFET 封裝，其設計目標都是避免 NCP51820 和支持電路接觸到流過(guò)功率級的潛在破壞性開(kāi)關(guān)電壓和電流。
圖6. 無(wú)源極開(kāi)爾文引腳的 GaNFET 布線(xiàn)
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