【经验】如何实现集成低侧GaN FET的DC-DC变换器设计的小尺寸与高功率密度？

时间： 2023-04-07 来源：乾鸿微微信公众号

技术问答

超高速GaN FET驱动器可作为激光二极管开关器件驱动，除应用于激光雷达发射端外，超高速GaN FET驱动器同样可以应用于集成低侧GaN FET的DC-DC变换器。

高速GaN FET驱动器应用于DC-DC变换器

DC-DC指直流转直流电源(DC:Direct Current)。DC-DC变换器的主要功能是进行输入输出电压的转换，不同的应用场景使用的电压不同，汽车电子常使用12V、24V，工业控制常使用24V、36V、48V，消费电子多为24V以下;模拟电路常使用5V、15V，数字电路常使用3.3V，电路常用电压与工艺所能承受的最大源漏电压相关。在实际的电路设计过程中，不同的器件可能会有不同的电压范围要求，DC-DC变换器被广泛运用于通信系统、工业控制、汽车电子、航空航天等领域中，有效简化电源电路设计，提升电路性能。

DC-DC变换器和LDO线性稳压器是最为常见的两种电源管理芯片，相比于LDO线性稳压器，DC-DC变换器成本高、输出纹波较大但效率高、输入/输出电压范围广。LDO线性稳压器只能降压，DC-DC变换器除降压外还可以升压与反向。LDO线性稳压器外围电路少，通常只需要数个旁路电容，设计应用较为简单;DC-DC变换器则电路设计较为复杂，外围器件包括输出/输出电容、反馈电容、反馈电阻、电感等。从硅 (Si)、碳化硅 (SiC)到氮化镓 (GaN)MOSFET 、绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)，电源芯片始终追求功率密度最高的半导体材料作为自身的功率器件，选择合适的栅极驱动器，则是发挥电源芯片功能与效率的关键。

图1 升压型DC-DC电路原理示意图

使用栅极驱动器作为DC-DC变换器的开关器件有数个需要关注的重要参数，包括开关频率、纹波和瞬态响应等等。开关电源就是利用开关动作将直流电转变为一定频率的脉冲电流能量，利用电感和电容储能元件的特性，将电能按照预定的要求释放出来。简单的降压型DC-DC电路如上图所示，包含二极管、电感、电解电容、电阻等元件。开关频率之于开关电源的质量，好比心脏的脉搏之于人体的健康。开关的规律性动作，是开关电源工作的根本机制。例如Boost(升压)电路公式中，频率决定了电感电流纹波和输出电压纹波两个核心指标。频率与纹波幅值成近似反比关系，频率越高，纹波值越小。

图2 TPS54160降压型DC-DC变换器参考示意图

开关频率的选择是进行转换效率与尺寸的抉择。DC-DC变换器在高频工作状态下，对电路中电感和电容的要求会变低。而在低频工作状态下由于内部栅极电荷损失变少，从而提高了转换效率，但需要更大的电感和电容来保证低输出纹波。以TI公司TPS54160降压型DC-DC变换器参考电路图为例，输入电压48V，输出电压5V，输出电流1A，纹波电压最高容许值为50mV，峰峰电感电流0.5A，电感与电容的简化公式如下：

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]

可以看到开关频率fs越大，所需的电感和电容便越小。DC-DC变换器追求更高的功率密度，更小的尺寸便需要选择更小的电感与电容，即需要提升开关频率。

深圳市乾鸿微电子有限公司推出的HD1001型超高速GaN FET驱动器，5V供电，1.5ns最小脉冲宽度满足低压DC-DC变换器快速开关频率的应用需要，DFN6L小型封装便于进行外围电路设计。HD1001作为GaN FET的低侧驱动器，驱动集成低侧GaN FET的DC-DC变换器，以快速开关频率实现设计的小尺寸、低纹波、高功率密度。

参考文献：[1]高频率、高输入电压DC/DC转换器设计挑战,Richard Nowakowski,Brian King,TI

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