ZHCT441 November 2023 LMG3612 , LMG3614 , LMG3616 , LMG3622 , LMG3624 , LMG3626
TI 最新的高壓、低功耗 GaN FET 系列；LMG3622、LMG3624 和 LMG3626 在充電適配器、電視電源、服務器輔助電源等各種終端設備中為高功率密度應用提供簡易性和集成性。隨著基于 GaN 的電源設計因其效率和尺寸優(yōu)勢而變得越來越普遍，TI GaN 提供的集成和功能集可實現(xiàn)系統(tǒng)改進，例如減少 BOM 數(shù)量、減小電路板面積和改善熱管理。此產品概述介紹了經驗數(shù)據(jù)支持的關鍵特性以及使用 TI LMG362x 系列 GaN 器件的設計指南。
圖 1 LMG362x 器件封裝一般特性概述
- 集成柵極驅動器可減少元件數(shù)量并簡化設計，同時大大降低寄生環(huán)路電感。
- 電流檢測仿真（無損電流檢測）顯著減小了傳統(tǒng)電流檢測電阻的尺寸并降低了其功率損耗。
- 低靜態(tài)電流消耗可實現(xiàn) CoC 和 DoE 要求規(guī)定的低待機功耗。通過將 EN 引腳設置為低電平，可以進一步降低器件靜態(tài)電流消耗。
- 過流保護 (OCP)、過熱保護 (OTP) 和欠壓鎖定 (UVLO) 等器件保護可針對系統(tǒng)故障提供系統(tǒng)級可靠性。
- 器件引腳排列可在信號和電源連接之間實現(xiàn)明確的分離，從而簡化開關環(huán)路的布局。
圖 2 LMG362x 器件功能概述LMG362x 系列器件采用 8mm × 5.3mm QFN 封裝，并具有與源連接的散熱焊盤。憑借 650V 額定電壓、寬 (10V–26V) AUX 電源和 IN 電壓范圍，該器件可在各種應用中即插即用。RDS(on) 值有三種不同變體，該器件可根據(jù)應用的功率級別在功率損耗和成本之間進行優(yōu)化。集成式柵極驅動器可減少元件數(shù)量并簡化設計，同時大大降低寄生開關和門控環(huán)路電感。電流檢測仿真（無損電流檢測）顯著減小了傳統(tǒng)電流檢測電阻的尺寸并降低了其功率損耗。低靜態(tài)電流消耗可實現(xiàn)低待機功耗，這是歐洲行為準則 (CoC) 和北美能源部 (DOE) 的要求；將 EN 引腳設置為低電平可進一步降低器件的靜態(tài)電流消耗。OCP、OTP 和 UVLO 等器件保護可針對系統(tǒng)故障提供系統(tǒng)級可靠性。最后，器件引腳排列可在信號和電源連接之間實現(xiàn)明確的分離，從而簡化開關環(huán)路的布局。
集成式電流檢測（無損電流檢測）
傳統(tǒng)上，需要電流檢測的應用在開關器件源極和系統(tǒng)接地之間使用了串聯(lián)分流電阻器。這種傳統(tǒng)的電流檢測方法是不可取的，因為該方法需要一個物理尺寸較大的檢測電阻 RCS(trad)，該電阻會耗散大量功率，從而使系統(tǒng)產生不必要的熱量并降低整體效率。此外，使用這種檢測方法時，器件的源極與系統(tǒng)接地分離，因此很難將散熱焊盤連接到一個較大的接地平面，而大接地平面可實現(xiàn)更好的散熱。LMG362x 系列器件借助集成電流檢測仿真功能，解決了傳統(tǒng)電流檢測的所有復雜問題。該功能的工作原理如下：
- LMG362x 器件上的 CS 引腳會輸出按比例縮小的漏極-源極電流副本。
- 該電流隨后通過物理尺寸較小的電阻 Rcs 饋入，以產生系統(tǒng)控制器所需的電流檢測電壓。
圖 3 分立式電流檢測與集成式電流檢測連接按如下方式選擇 RCS 電阻值：
其中
Gcse 是 LMG362x 器件的電流檢測增益，如表 1 所示。
| 器件 | Gcse |
|---|---|
| LMG3622 | 0.691mA/A |
| LMG3624 | 0.965mA/A |
| LMG3626 | 1.633mA/A |
由于電阻器檢測到的電流按比例縮小了很大的比例，因此與傳統(tǒng)電流檢測方法相比，Rcs 中的功率耗散很小。圖 4 展示了就 100W 反激式轉換器而言全負載范圍內的功率損耗比較。
圖 4 傳統(tǒng)電流檢測與集成電流檢測的功率損耗比較有關 LMG362x 的電流檢測仿真功能的更多信息和經驗數(shù)據(jù)，請參閱 TI GaN 中的集成電流檢測功能可更大限度地提高系統(tǒng)效率 應用簡報。
較低靜態(tài)電流和待機模式
隨著時間的推移，DoE VI 級和 CoC 2 級對待機和輕負載功耗的要求越來越嚴格，新的電源設計必須考慮集成電路 (IC) 功率耗散的影響。
當 EN 設置為高電平時，LMG362x 系列器件的靜態(tài)電流消耗為 240μA，當 EN 設置為低電平時，靜態(tài)電流消耗為 50μA。低靜態(tài)電流支持轉換器突發(fā)模式運行，這對于滿足輕負載效率要求至關重要。EN 引腳可以連接到任何類型的控制方法，從而在非常輕的負載或無負載條件下優(yōu)化待機功耗。
| 參數(shù) | 靜態(tài)電流消耗 | 器件功率損耗 (AUX = 15V) |
|---|---|---|
| EN 引腳 = 高電平 | 240μA | 3.6mW |
| EN 引腳 = 低電平 | 50μA | 0.75mW |
例如，LMG3624EVM-081 在
VIN = 230Vac 時可實現(xiàn)總共 70mW 的空載待機功耗。
器件保護
為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)健性，LMG362x 器件同時配備了 OCP 和過熱保護 OTP。這些特性可確保 GaN 功率 FET 器件免受異常系統(tǒng)故障的影響。OCP 運行通過逐周期方案實現(xiàn)，如圖 5 所示。如果 FET 電流在 IN 為高電平時超過 IT(OC) 閾值，則 FET 會在 IN 高電平周期的剩余時間內自動關閉。下次 IN 變?yōu)楦唠娖綍r，F(xiàn)ET 會開啟并再次檢查是否存在過流情況。
圖 5 LMG362x 逐周期過流保護操作每個器件的過流閾值如表 3 所示。
| 器件 | IT(OC) （典型值） |
|---|---|
| LMG3622 | 8.5A |
| LMG3624 | 6A |
| LMG3626 | 3.6 A |
OTP 操作可確保在 LMG362x 溫度高于 165 度的 OTP 閾值時 FET 保持關斷。20 度的滯環(huán)可確保防止錯誤的熱循環(huán)。此外，OTP 情況由低電平有效的 FLT 引腳報告，此引腳可以連接到系統(tǒng)控制器。
導通壓擺率設置
為了讓系統(tǒng)設計人員能夠靈活地在功率損耗或更低的共模 EMI 特征之間進行優(yōu)化，LMG362x 器件提供了一個可編程的 RDRV 引腳，用于設置 FET 的導通壓擺率。
| 導通壓擺率 設置 |
建議的典型編程電阻 (kΩ) | 典型導通壓擺率 (V/ns) | 備注 |
|---|---|---|---|
| 0（最慢） | 120 | 20 | 可接受編程電阻的開路連接 |
| 1 | 47Ω | 50 | |
| 2 | 22 | 75 | |
| 3（最快） | 5.6 | 150 | 可以接受編程電阻的短路連接（RDRV 短接到 AGND） |
不同壓擺率設置的實際 VDS 波形如圖 6 所示。
圖 6 不同壓擺率設置下的漏源電壓數(shù)據(jù)
