氮化鎵GaN驅(qū)動器的PCB設(shè)計策略概要

NCP51820 是一款 650 V、高速、半橋驅(qū)動器，能夠以高達 200 V/ns 的 dV/dt 速率驅(qū)動氮化鎵（以下簡稱“GaN”） 功率開關(guān)。只有合理設(shè)計能夠支持這種功率開關(guān)轉(zhuǎn)換的印刷電路板 (PCB) ，才能實現(xiàn)實現(xiàn)高電壓、高頻率、快速dV/dt邊沿速率開關(guān)的全部性能優(yōu)勢。本文將簡單介紹NCP51820及利用 NCP51820 設(shè)計高性能 GaN 半橋柵極驅(qū)動電路的 PCB 設(shè)計要點。

NCP51820 是一款全功能專用驅(qū)動器，為充分發(fā)揮高電子遷移率晶體管 (HEMT) GaNFET 的開關(guān)性能而設(shè)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，哪怕與同類最佳的硅 MOSFET 相比，GaNFET 的柵極電荷、輸出電容和動態(tài)導(dǎo)通電阻也大大降低。此外，GaNFET 沒有 PN結(jié)，因此漏極-源極上沒有本征寄生體二極管，也就沒有與第三象限操作相關(guān)的反向恢復(fù)電荷。

GaNFET 非常適用于離線半橋功率拓撲、無橋 PFC 和單端有源箝位拓撲。這些功率級常常采用零電壓開關(guān) (ZVS)，但也可以在硬開關(guān)條件下采用大約 400V 的電壓工作。所有這些改進使得 GaNFET 能夠以 MHz 范圍或接近該范圍的頻率開關(guān)，漏源邊沿速率高達 100V/ns。能否實現(xiàn)基于 GaN 的功率級的最優(yōu)性能，在很大程度上取決于設(shè)計人員對寄生電路元件（如封裝電感、PCB 走線電感、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(tǒng)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，會有更明顯的響應(yīng)，因此會產(chǎn)生問題。

NCP51820 的 MLP 無引線功率封裝（圖 3）以及行業(yè)中的各種無引線 GaNFET 功率封裝（圖 1 和圖 2），體現(xiàn)了為充分降低寄生電感所作的設(shè)計努力。同樣，必須特別注意 PCB 設(shè)計和元器件布局。為了充分發(fā)揮利用 NCP51820 驅(qū)動高速半橋功率拓撲中使用的 GaN 功率開關(guān)的優(yōu)勢，有一些重要的 PCB 設(shè)計因素需要考慮，本白皮書將重點討論其中的一些重要注意事項。

HEMT GaN 和 NCP51820 封裝說明

大多數(shù) GaNFET 封裝包含一個專用源極開爾文返回引腳，如圖 1 中的“SK”所示，其作用只是為了將柵極驅(qū)動返回電流送回 NCP51820。較高電流的漏源引腳通過多條焊線焊接到多個焊盤，不過為了簡明起見，圖 1 中的簡化示意圖僅顯示了一條焊線連接。NCP51820 輸出和 GaNFET 柵源開爾文引腳之間的接口必須是直接單點連接，該接口特別重要，如含有源極開爾文引腳的 GaNFET 部分所述。

但是，并非所有 GaNFET 都包含一個專用源極開爾文返回引腳，例如圖 2 所示的示例。對于不含源極開爾文返回引腳的 GaNFET，為 PCB 設(shè)計中的柵極驅(qū)動部分布線時必須特別注意。對于半橋功率級的開關(guān)節(jié)點連接，高壓側(cè) GaNFET 的源極直接連接到低壓側(cè) GaNFET 的漏極，構(gòu)成一個承載高 di/dt 負載電流的高 dV/dt 節(jié)點。不建議直接使用此高壓開關(guān)節(jié)點的柵極驅(qū)動返回引腳，如不含源極開爾文引腳的 GaNFET 部分所述。

圖1. 含有源極開爾文返回引腳的典型 GaN

圖2. 不含源極開爾文返回引腳的典型 GaN

NCP51820 采用 4x4 mm 無引線封裝，所有邏輯電平輸入和編程功能都設(shè)置在 IC 右側(cè)，與策略性設(shè)置在 IC 其余三側(cè)的電源功能分開?；谠O(shè)計策略安置引腳，以便必要時提供高壓隔離。以下 PCB 布局部分說明，將充分展現(xiàn) NCP51820 引腳分配的優(yōu)勢。

圖3. NCP51820 GaN 驅(qū)動器引腳分配

PCB 設(shè)計策略概要

使用 GaNFET 開始 PCB 設(shè)計時，最好根據(jù)優(yōu)先級考慮整個布局，如下所列。

1. 必須采用多層PCB設(shè)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(shè)計方法。為了實現(xiàn)基于GaN的功率級的全部優(yōu)勢，接地平面必須采取適當?shù)牟季€或設(shè)計，而廉價的單層PCB設(shè)計無法做到。

2. 開始時，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(yīng)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(qū)動電阻應(yīng)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 時使 HO 和 LO 柵極驅(qū)動長度盡可能匹配。為了避免高電流和高 dV/dt 流經(jīng)過孔，兩個 GaNFET 最好和 NCP51820 位于 PCB 的同一面。

7. 應(yīng)將 HO 和 LO 柵極驅(qū)動視為兩個獨立的、相互電隔離的柵極驅(qū)動電路。因此，HO 和 LO 各自都需要專用銅觸點 (copper land) 返回平面，這些平面在第 2 層上，位于第 1 層柵極驅(qū)動布線正下方。

電源環(huán)路、開關(guān)節(jié)點、柵極驅(qū)動環(huán)路的正確布線以及使用平面，對于順利完成 GaN PCB 設(shè)計至關(guān)重要。這部分內(nèi)容如有需求，后續(xù)可能會推送新的文章配合插圖對每一項加以說明。對于柵極驅(qū)動器，正確的布線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(dǎo)通。目的是設(shè)計一個精心考慮了適當接地，同時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

圖 4 突出顯示了 NCP51820 周圍的關(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

含有源極開爾文引腳的GaNFET

許多 GaNFET 封裝包括一個專用源極開爾文引腳，用于將柵極驅(qū)動返回電流與功率開關(guān)節(jié)點（高壓側(cè)）或電源地（低壓側(cè)）出現(xiàn)的較高電流和電壓電平隔離。對于具有專用源極開爾文引腳的 GaNFET，柵極驅(qū)動布線相當簡單。推薦 PCB 布線設(shè)計示例如圖 5 所示，可以看到高壓側(cè) GaNFET 柵極驅(qū)動返回電流與功率開關(guān)節(jié)點電流有效分隔。

圖5. 源極開爾文 GaNFET 布線

不含源極開爾文引腳的GaNFET

有些 GaNFET 封裝不含專用源極開爾文引腳，還必須要仔細考慮，將柵極驅(qū)動返回電流與功率開關(guān)節(jié)點（高壓側(cè)）或電源地（低壓側(cè)）出現(xiàn)的較高電流和電壓電平隔離。對于沒有專用源極開爾文引腳的 GaNFET，應(yīng)從 GaNFET 源極接出一段額外的銅蝕刻線，其唯一作用是將柵極驅(qū)動返回電流送回 NCP51820。盡管不如專用開爾文引腳連接那么有效，但這種布線技術(shù)仍然可以在柵極驅(qū)動電流和功率開關(guān)節(jié)點之間實現(xiàn)可接受程度的分離。推薦 PCB 布線設(shè)計示例如圖 6 所示，可以看到高壓側(cè) GaNFET 柵極驅(qū)動返回電流與功率開關(guān)節(jié)點電流有效分隔。無論何種類型的 GaNFET 封裝，其設(shè)計目標都是避免 NCP51820 和支持電路接觸到流過功率級的潛在破壞性開關(guān)電壓和電流。

圖6. 無源極開爾文引腳的 GaNFET 布線