對使用Transphorm GaN功率開關(guān)器件的PCB進(jìn)行布板和探測，針對高開關(guān)速度的設(shè)計，最好使用低感布板，并為各路信號推薦恰當(dāng)?shù)慕拥貙樱淮送?，要獲得正確的測量結(jié)果，低感的接地和信號連接也至關(guān)重要。

簡介

Transphorm的氮化鎵開關(guān)管因?yàn)榫哂懈偷臇艠O電荷、更高的開關(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。硅技術(shù)通常只能做到低于50V/ns開關(guān)速度，而GaN開關(guān)器件的開關(guān)速度可超過150V/ns，甚至可推升至500V/ns。

更高的開關(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開關(guān)的快速開關(guān)特性，必須遵守特定的PCB布板準(zhǔn)則和探針測量技術(shù)。

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

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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)晶體管快速開通和關(guān)斷時，電壓和電流的快速瞬態(tài)變化將激發(fā)諧振。由于GaN開關(guān)管上升和下降時間均小于10ns，因此，在設(shè)計GaN功率電路時，必須格外小心以避免電路中出現(xiàn)過多振鈴。

Transphorm通過晶體管封裝內(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，說明如下：

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

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

功率器件GaN開關(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開關(guān)源極之間放置一個快速薄膜電容（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)動電路

圖3顯示柵極驅(qū)動回路中產(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存在于柵極驅(qū)動回路和功率回路中。

圖3. PFC柵極驅(qū)動電路中產(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過大，則感應(yīng)電壓可以在未改變柵極驅(qū)動電壓的情況下就導(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)動回路中。

IC的COM引腳通過一條寬走線（節(jié)點(diǎn)1）直接連接到GaN開關(guān)的源極引腳，與功率回路分隔開。

IC的OUT引腳通過一條短走線直接連接到GaN開關(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開關(guān)的金屬舌片用作載流源極端子，將其源極管腳以開爾文形式連接到驅(qū)動電路的載流源極，可以非常有效地進(jìn)一步降低S-tab GaN開關(guān)的源極電感。

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探測需考慮因素

3.1 準(zhǔn)確探測

為了評估PCB布板的正確，準(zhǔn)確測量開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電壓非常重要。但是，開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的快速電流瞬變會在測量探針中感應(yīng)電壓振鈴。也就是說，測量過程中示波器上看到的電壓并不是測量的真實(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量誤差并得到更好的測量結(jié)果：

要正確捕獲開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓瞬變，示波器探針的接地引線長度是最重要的影響因素之一。因此，請不要使用示波器探針附帶的標(biāo)準(zhǔn)3英寸接地導(dǎo)線。這個長的導(dǎo)線環(huán)路會充當(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，探針放置在遠(yuǎn)離器件的地方會增加測量誤差。

調(diào)整導(dǎo)線長度，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。

綜合使用這些測量方面的貼士，就能夠正確測量GaN開關(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，在探測時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)，就沒有可能同時使用電流探針測量開關(guān)電流。

使用真正的浮動示波器。如果示波器的接地沒有設(shè)計成電容最小的、真正的浮動接地，而只是簡單地與地斷開，那么，由于檢測電路的地連接至示波器的機(jī)箱，檢測回路中將存在相當(dāng)大的寄生電容。將這樣的示波器接地連接到開關(guān)節(jié)點(diǎn)上，將在被測波形中引入更多的振鈴。

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結(jié)論

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

責(zé)任編輯：haq