GaN功率开关器件的PCB布板与探测

2.1   功率回路

图1. 典型的带有寄生效应的升压变换器电路

这些寄生元件构成高频谐振回路，当晶体管快速开通和关断时，电压和电流的快速瞬态变化将激发谐振。由于GaN开关管上升和下降时间均小于10ns，因此，在设计GaN功率电路时，必须格外小心以避免电路中出现过多振铃。

Transphorm通过晶体管封装内的布局布线已经将器件的电感和电容最小化。但是，设计人员需要负责PCB的布局布线，以使电路板的电感和电容最小化。

图2. Transphorm参考设计TDPS300E1A8板

图2是功率回路正确布板示例，说明如下：

1. 使用大接地层，实现GaN开关(Q1)的低感接地。

2. 高压开关节点面积小，避免在开关节点上产生额外的电容。

3. 功率器件GaN开关(Q1)和二极管(D3)、电感(L1)、以及去耦电容(C18)尽可能靠近放置，最大程度地减小电感。

4. DC+输出层较大，便于去耦，同时被用作升压二极管（D3）的散热器。

5. 连接DC+输出层和接地层的去耦输出电容（C17）引脚尽可能短。

6. 升压二极管负极和GaN开关源极之间放置一个快速薄膜电容（C18），以吸收噪声并解耦输出走线电感。

晶体管源极上的电流瞬变（di / dt）会在L1两端产生感应电压VL（VL = L1×di / dt），实质性改变栅极到源极的电压VGS。如果L1过大，则感应电压可以在未改变栅极驱动电压的情况下就导通或截止晶体管。

因此，非常重要的是需要保持L1尽可能低，并直接将控制IC的COM脚（接地引脚）连接到HEMT的源极引脚，而不将功率路径包含到栅极驱动回路中。

图4为栅极驱动电路的正确布板方式，说明如下：

1. IC的COM引脚通过一条宽走线（节点1）直接连接到GaN开关的源极引脚，与功率回路分隔开。

2. IC的OUT引脚通过一条短走线直接连接到GaN开关的栅极引脚（节点2），不需要栅极电阻。

3. 去耦薄膜电容器（C1）直接置于控制IC的VCC和COM引脚之间。

4. IC的COM引脚连接到一个较大的接地层，为必须连接到COM（节点3）的控制电路提供最短的接地路径。

将GaN开关的金属舌片用作载流源极端子，将其源极管脚以开尔文形式连接到驱动电路的载流源极，可以非常有效地进一步降低S-tab GaN开关的源极电感。

遵循以下建议，可以最大程度地减少总体测量误差并得到更好的测量结果：

1. 要正确捕获开关节点电压瞬变，示波器探针的接地引线长度是最重要的影响因素之一。因此，请不要使用示波器探针附带的标准3英寸接地导线。这个长的导线环路会充当天线，拾取电路板的电磁干扰噪声，显示比器件实际值更高的开关节点电压振铃值（图5左）。

2. 相反，应该使用尽可能短的接地线，并将其连接到示波器探针外圈（图5右）。示波器探针尖端和接地点必须直接放置在器件引脚上，探针放置在远离器件的地方会增加测量误差。

3. 调整导线长度，并使其与示波器探针尖端平行，可最大程度地减小感应回路的面积。

1、避免在功率回路的寄生谐振回路中额外增加导线。不幸的是，要做到这一点，就没有可能同时使用电流探针测量开关电流。