對(duì)使用Transphorm GaN功率開(kāi)關(guān)器件的PCB進(jìn)行布板和探測(cè)，針對(duì)高開(kāi)關(guān)速度的設(shè)計(jì)，最好使用低感布板，并為各路信號(hào)推薦恰當(dāng)?shù)慕拥貙樱淮送猓@得正確的測(cè)量結(jié)果，低感的接地和信號(hào)連接也至關(guān)重要。

簡(jiǎn)介

Transphorm的氮化鎵開(kāi)關(guān)管因?yàn)榫哂懈偷臇艠O電荷、更高的開(kāi)關(guān)速度、以及更小的反向恢復(fù)電荷，比硅基超結(jié)MOSFET具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。硅技術(shù)通常只能做到低于50V/ns開(kāi)關(guān)速度，而GaN開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)速度可超過(guò)150V/ns，甚至可推升至500V/ns。

更高的開(kāi)關(guān)速度可以降低GaN器件的電流-電壓交越損耗，電路在高頻下實(shí)現(xiàn)高效率。但是，要充分利用GaN開(kāi)關(guān)的快速開(kāi)關(guān)特性，必須遵守特定的PCB布板準(zhǔn)則和探針測(cè)量技術(shù)。

這里，我們就以一塊PFC開(kāi)發(fā)演示板為例，來(lái)看看搭載高開(kāi)關(guān)速度GaN開(kāi)關(guān)器件的PCB的布板和探測(cè)的一般規(guī)則吧。有關(guān)演示板的詳情資料，參見(jiàn)Transphorm公司TDPS300E1A8的參考設(shè)計(jì)。

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PFC電路布板需考慮的因素

2.1 功率回路

圖1是一個(gè)典型的基于升壓變換器PFC電路的功率半導(dǎo)體元件/功率回路。可以看出，功率回路中存在多處寄生電感和寄生電容。

圖1. 典型的帶有寄生效應(yīng)的升壓變換器電路

這些寄生元件構(gòu)成高頻諧振回路，當(dāng)晶體管快速開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，電壓和電流的快速瞬態(tài)變化將激發(fā)諧振。由于GaN開(kāi)關(guān)管上升和下降時(shí)間均小于10ns，因此，在設(shè)計(jì)GaN功率電路時(shí)，必須格外小心以避免電路中出現(xiàn)過(guò)多振鈴。

Transphorm通過(guò)晶體管封裝內(nèi)的布局布線已經(jīng)將器件的電感和電容最小化。但是，設(shè)計(jì)人員需要負(fù)責(zé)PCB的布局布線，以使電路板的電感和電容最小化。

圖2是功率回路正確布板示例，說(shuō)明如下：

使用大接地層，實(shí)現(xiàn)GaN開(kāi)關(guān)（Q1）的低感接地。

高壓開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)面積小，避免在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生額外的電容。

功率器件GaN開(kāi)關(guān)（Q1）和二極管（D3）、電感（L1）、以及去耦電容（C18）盡可能靠近放置，最大程度地減小電感。

DC+輸出層較大，便于去耦，同時(shí)被用作升壓二極管（D3）的散熱器。

連接DC+輸出層和接地層的去耦輸出電容（C17）引腳盡可能短。

升壓二極管負(fù)極和GaN開(kāi)關(guān)源極之間放置一個(gè)快速薄膜電容（C18），以吸收噪聲并解耦輸出走線電感。

2.2 柵極回路/柵極驅(qū)動(dòng)電路

圖3顯示柵極驅(qū)動(dòng)回路中產(chǎn)生的寄生電感和電容。所有寄生電感中，圖3的L1最關(guān)鍵，因?yàn)樗瑫r(shí)存在于柵極驅(qū)動(dòng)回路和功率回路中。

圖3. PFC柵極驅(qū)動(dòng)電路中產(chǎn)生的寄生成分

晶體管源極上的電流瞬變（di / dt）會(huì)在L1兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓VL（VL = L1×di / dt），實(shí)質(zhì)性改變柵極到源極的電壓VGS。如果L1過(guò)大，則感應(yīng)電壓可以在未改變柵極驅(qū)動(dòng)電壓的情況下就導(dǎo)通或截止晶體管。

因此，非常重要的是需要保持L1盡可能低，并直接將控制IC的COM腳（接地引腳）連接到HEMT的源極引腳，而不將功率路徑包含到柵極驅(qū)動(dòng)回路中。

IC的COM引腳通過(guò)一條寬走線（節(jié)點(diǎn)1）直接連接到GaN開(kāi)關(guān)的源極引腳，與功率回路分隔開(kāi)。

IC的OUT引腳通過(guò)一條短走線直接連接到GaN開(kāi)關(guān)的柵極引腳（節(jié)點(diǎn)2），不需要柵極電阻。

去耦薄膜電容器（C1）直接置于控制IC的VCC和COM引腳之間。

IC的COM引腳連接到一個(gè)較大的接地層，為必須連接到COM（節(jié)點(diǎn)3）的控制電路提供最短的接地路徑。

將GaN開(kāi)關(guān)的金屬舌片用作載流源極端子，將其源極管腳以開(kāi)爾文形式連接到驅(qū)動(dòng)電路的載流源極，可以非常有效地進(jìn)一步降低S-tab GaN開(kāi)關(guān)的源極電感。

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探測(cè)需考慮因素

3.1 準(zhǔn)確探測(cè)

為了評(píng)估PCB布板的正確，準(zhǔn)確測(cè)量開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電壓非常重要。但是，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的快速電流瞬變會(huì)在測(cè)量探針中感應(yīng)電壓振鈴。也就是說(shuō)，測(cè)量過(guò)程中示波器上看到的電壓并不是測(cè)量的真實(shí)數(shù)據(jù)，不是節(jié)點(diǎn)上的實(shí)際電壓。

遵循以下建議，可以最大程度地減少總體測(cè)量誤差并得到更好的測(cè)量結(jié)果：

要正確捕獲開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓瞬變，示波器探針的接地引線長(zhǎng)度是最重要的影響因素之一。因此，請(qǐng)不要使用示波器探針附帶的標(biāo)準(zhǔn)3英寸接地導(dǎo)線。這個(gè)長(zhǎng)的導(dǎo)線環(huán)路會(huì)充當(dāng)天線，拾取電路板的電磁干擾噪聲，顯示比器件實(shí)際值更高的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓振鈴值（圖5左）。

相反，應(yīng)該使用盡可能短的接地線，并將其連接到示波器探針外圈（圖5右）。示波器探針尖端和接地點(diǎn)必須直接放置在器件引腳上，探針?lè)胖迷谶h(yuǎn)離器件的地方會(huì)增加測(cè)量誤差。

調(diào)整導(dǎo)線長(zhǎng)度，并使其與示波器探針尖端平行，可最大程度地減小感應(yīng)回路的面積。

綜合使用這些測(cè)量方面的貼士，就能夠正確測(cè)量GaN開(kāi)關(guān)的實(shí)際電壓瞬變。

3.2 避免引入額外的寄生效應(yīng)

同樣重要的是，在探測(cè)時(shí)不要在電路中引入額外的寄生效應(yīng)。例如：

避免在功率回路的寄生諧振回路中額外增加導(dǎo)線。不幸的是，要做到這一點(diǎn)，就沒(méi)有可能同時(shí)使用電流探針測(cè)量開(kāi)關(guān)電流。

使用真正的浮動(dòng)示波器。如果示波器的接地沒(méi)有設(shè)計(jì)成電容最小的、真正的浮動(dòng)接地，而只是簡(jiǎn)單地與地?cái)嚅_(kāi)，那么，由于檢測(cè)電路的地連接至示波器的機(jī)箱，檢測(cè)回路中將存在相當(dāng)大的寄生電容。將這樣的示波器接地連接到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上，將在被測(cè)波形中引入更多的振鈴。

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結(jié)論

使用高開(kāi)關(guān)速度的GaN開(kāi)關(guān)器件需要特別注意線路板布板設(shè)計(jì)、組件放置、以及探針測(cè)試，最大程度地減少振鈴，最大程度地提高性能并準(zhǔn)確測(cè)量性能。關(guān)鍵是盡量減少電路的寄生電感和電容。

責(zé)任編輯：haq