實(shí)現(xiàn)集成低側(cè)GaN FET的DC-DC變換器設(shè)計(jì)的小尺寸與高功率密度——HD1001應(yīng)用指南2

在HD1001應(yīng)用指南1中，我們介紹了超高速GaN FET驅(qū)動(dòng)器作為激光二極管開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，除應(yīng)用于激光雷達(dá)發(fā)射端外，超高速GaN FET驅(qū)動(dòng)器同樣可以應(yīng)用于集成低側(cè)GaN FET的DC-DC變換器。

高速GaN FET驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于DC-DC變換器

DC-DC指直流轉(zhuǎn)直流電源(DC:Direct Current)。DC-DC變換器的主要功能是進(jìn)行輸入輸出電壓的轉(zhuǎn)換，不同的應(yīng)用場(chǎng)景使用的電壓不同，汽車(chē)電子常使用12V、24V，工業(yè)控制常使用24V、36V、48V，消費(fèi)電子多為24V以下；模擬電路常使用5V、15V，數(shù)字電路常使用3.3V，電路常用電壓與工藝所能承受的最大源漏電壓相關(guān)。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，不同的器件可能會(huì)有不同的電壓范圍要求，DC-DC變換器被廣泛運(yùn)用于通信系統(tǒng)、工業(yè)控制、汽車(chē)電子、航空航天等領(lǐng)域中，有效簡(jiǎn)化電源電路設(shè)計(jì)，提升電路性能。

DC-DC變換器和LDO線性穩(wěn)壓器是最為常見(jiàn)的兩種電源管理芯片，相比于LDO線性穩(wěn)壓器，DC-DC變換器成本高、輸出紋波較大但效率高、輸入/輸出電壓范圍廣。LDO線性穩(wěn)壓器只能降壓，DC-DC變換器除降壓外還可以升壓與反向。LDO線性穩(wěn)壓器外圍電路少，通常只需要數(shù)個(gè)旁路電容，設(shè)計(jì)應(yīng)用較為簡(jiǎn)單；DC-DC變換器則電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，外圍器件包括輸出/輸出電容、反饋電容、反饋電阻、電感等。從硅 （Si）、碳化硅 （SiC）到氮化鎵 （GaN）MOSFET 、絕緣柵雙極型晶體管 （IGBT），電源芯片始終追求功率密度最高的半導(dǎo)體材料作為自身的功率器件，選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器，則是發(fā)揮電源芯片功能與效率的關(guān)鍵。

圖1 升壓型DC-DC電路原理示意圖

使用柵極驅(qū)動(dòng)器作為DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)器件有數(shù)個(gè)需要關(guān)注的重要參數(shù)，包括開(kāi)關(guān)頻率、紋波和瞬態(tài)響應(yīng)等等。開(kāi)關(guān)電源就是利用開(kāi)關(guān)動(dòng)作將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢l率的脈沖電流能量，利用電感和電容儲(chǔ)能元件的特性，將電能按照預(yù)定的要求釋放出來(lái)。簡(jiǎn)單的降壓型DC-DC電路如上圖所示，包含二極管、電感、電解電容、電阻等元件。開(kāi)關(guān)頻率之于開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量，好比心臟的脈搏之于人體的健康。開(kāi)關(guān)的規(guī)律性動(dòng)作，是開(kāi)關(guān)電源工作的根本機(jī)制。例如Boost（升壓）電路公式中，頻率決定了電感電流紋波和輸出電壓紋波兩個(gè)核心指標(biāo)。頻率與紋波幅值成近似反比關(guān)系，頻率越高，紋波值越小。

圖2 TPS54160降壓型DC-DC變換器參考示意圖

開(kāi)關(guān)頻率的選擇是進(jìn)行轉(zhuǎn)換效率與尺寸的抉擇。DC-DC變換器在高頻工作狀態(tài)下，對(duì)電路中電感和電容的要求會(huì)變低。而在低頻工作狀態(tài)下由于內(nèi)部柵極電荷損失變少，從而提高了轉(zhuǎn)換效率，但需要更大的電感和電容來(lái)保證低輸出紋波。以TI公司TPS54160降壓型DC-DC變換器參考電路圖為例，輸入電壓48V，輸出電壓5V，輸出電流1A，紋波電壓最高容許值為50mV，峰峰電感電流0.5A，電感與電容的簡(jiǎn)化公式如下：

其中D（占空比）=5 V/48 V=0.104，△I = 0.5 A。

其中△I = 0.5 A，△V=50 mV。[1]
可以看到開(kāi)關(guān)頻率fs越大，所需的電感和電容便越小。DC-DC變換器追求更高的功率密度，更小的尺寸便需要選擇更小的電感與電容，即需要提升開(kāi)關(guān)頻率。

深圳市乾鴻微電子有限公司推出的HD1001型超高速GaN FET驅(qū)動(dòng)器，5V供電，1.5ns最小脈沖寬度滿足低壓DC-DC變換器快速開(kāi)關(guān)頻率的應(yīng)用需要，DFN6L小型封裝便于進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)。HD1001作為GaN FET的低側(cè)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)集成低側(cè)GaN FET的DC-DC變換器，以快速開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的小尺寸、低紋波、高功率密度。