GaN晶體(tǐ)管電(diàn)路的布局注意事项

2021-02-23

随着用(yòng)MOSFET使GaN器件的价格正常化，以及具有(yǒu)不同额定電(diàn)压和功率处理(lǐ)能(néng)力的各种器件的扩展，在主流应用(yòng)中实现了更广泛的接受，例如计算机的DC-DC转换器，机器人，電(diàn)动自行車(chē)和踏板車(chē)。早期采用(yòng)者的经验為(wèi)后来进入GaN世界的参与者提供了更快进入生产的道路。

本文(wén)是讨论三个主题的系列文(wén)章的第一篇，这三个主题可(kě)以帮助電(diàn)源系统设计人员以最低的成本获得最大的GaN基设计优势。这三个主题是：（1）布局注意事项；（2）散热设计，可(kě)最大程度地处理(lǐ)功率；（3）降低成本的EMI降低技术。

GaN的高开关速度带来的寄生電(diàn)感

在比老化的MOSFET更高的频率下使用(yòng)GaN能(néng)够引起人们对寄生電(diàn)感的衰减效应的关注在電(diàn)源转换電(diàn)路[1]中。这种電(diàn)感阻碍了GaN极快开关功能(néng)的全部优势的提取，同时减少了EMI的产生。对于大约80％的功率转换器中使用(yòng)的半桥配置，寄生電(diàn)感的两个主要来源是：（1）由两个電(diàn)源开关器件以及高频总線(xiàn)電(diàn)容器形成的高频功率环路，以及（2）由栅极驱动器，功率器件和高频栅极驱动電(diàn)容器组成的栅极驱动环路。共源极電(diàn)感（CSI）由环路電(diàn)感的一部分(fēn)定义，该部分(fēn)对栅极环路和電(diàn)源环路都通用(yòng)。如图1中的箭头所示。

图1：半桥功率级的示意图，其中功率和栅极驱动环路以及虚線(xiàn)所示的公共源极電(diàn)感

最小(xiǎo)化寄生電(diàn)感

当考虑高速功率器件的布局时，所有(yǒu)寄生電(diàn)感的最小(xiǎo)化至关重要。不可(kě)能(néng)相等地减少電(diàn)感的所有(yǒu)分(fēn)量，因此，必须按重要性顺序解决，从公共源電(diàn)感开始，然后是電(diàn)源环路電(diàn)感，最后是栅极环路電(diàn)感。

对于高压PQFN（功率四方扁平无引線(xiàn)）MOSFET封装，众所周知，需要单独的栅极返回源引脚，并且也已在高压GaN PQFN结构中实现[2,3]。当这些单独的引脚可(kě)用(yòng)时，栅极驱动环路和電(diàn)源环路在封装内是分(fēn)开的，并且在外部连接时必须格外小(xiǎo)心。

共源极電(diàn)感的降低是以外部源极電(diàn)感的代价為(wèi)代价的，该外部源极電(diàn)感被推到栅极环路之外。一旦移除了公共源電(diàn)感，该外部電(diàn)感就会由于设备速度的提高而导致接地反弹的增加[4]。

增强型GaN晶體(tǐ)管采用(yòng)晶圆级芯片规模封装（WLCSP），其端子采用(yòng)焊盘栅格阵列（LGA）或球形栅格阵列（BGA）格式。其中一些器件没有(yǒu)提供单独的栅极返回源引脚，而是提供了许多(duō)非常低的電(diàn)感连接，如图2所示。这些封装的总封装電(diàn)感通常小(xiǎo)于100 pH。这大大减少了電(diàn)感的所有(yǒu)分(fēn)量，从而减少了所有(yǒu)与電(diàn)感有(yǒu)关的问题。通过分(fēn)配最靠近栅极的源极焊盘作為(wèi)栅极环路和電(diàn)源环路的“星形”连接点，这些LGA和BGA封装可(kě)以与提供有(yǒu)专用(yòng)栅极返回引脚或栅条的方式相同。 

图2：LGA（a）和BGA（b）格式的GaN晶體(tǐ)管显示了器件電(diàn)流流动的方向，该方向使共源電(diàn)感最小(xiǎo) 

尽管最小(xiǎo)化组成环路的各个元件的電(diàn)感（即電(diàn)容器ESL，器件引線(xiàn)電(diàn)感和PCB互连電(diàn)感）很(hěn)重要，但设计人员还必须专注于最小(xiǎo)化总环路電(diàn)感。由于回路的電(diàn)感由存储在其中的磁能(néng)决定，因此可(kě)以通过使用(yòng)相邻导體(tǐ)之间的耦合来感应磁场自抵消，来进一步减小(xiǎo)总回路電(diàn)感。

通过将漏极和源极端子交织在设备的一侧，会产生多(duō)个带有(yǒu)相反電(diàn)流的小(xiǎo)环路，这些环路会通过磁场自抵消而降低总體(tǐ)電(diàn)感。这不仅适用(yòng)于图3（a）所示的PCB走線(xiàn)，而且适用(yòng)于图3（b）所示的垂直焊料连接和层间连接过孔。通过形成多(duō)个小(xiǎo)的磁场消除环路，总磁能(néng)和電(diàn)感都将大大降低[5]。 

图3：安装在PCB上的LGA GaN晶體(tǐ)管显示交流電(diàn)流（a）顶视图（b）侧视图

通过将漏极電(diàn)流和源极電(diàn)流从中心線(xiàn)引出到器件的两侧，并复制磁场消除效果，可(kě)以进一步减小(xiǎo)局部环路電(diàn)感。这通过减少每个导體(tǐ)中的電(diàn)流来工作，从而进一步降低了存储的能(néng)量，并且较短的電(diàn)流路径产生了较低的電(diàn)感。 

常规電(diàn)源回路设计

為(wèi)了了解如何在实际布局中实现功率环路電(diàn)感最小(xiǎo)化，提出了两种传统的功率环路方法进行比较。这两种方法分(fēn)别称為(wèi)“横向”和“垂直”。

横向電(diàn)源回路设计

横向布局将输入電(diàn)容器和器件紧密放置在PCB的同一侧，以最大程度地减小(xiǎo)高频電(diàn)源环路的面积。此设计的高频环路包含在PCB的同一侧，并被视為(wèi)横向電(diàn)源环路，因為(wèi)電(diàn)源环路在单个PCB层上横向流动。使用(yòng)LGA晶體(tǐ)管设计的横向布局示例如图4所示。该图中突出显示了高频环路。

图4：基于LGA GaN晶體(tǐ)管的转换器的常规横向功率环路：（a）顶视图（b）侧视图

虽然最小(xiǎo)化环路的物(wù)理(lǐ)尺寸对于降低寄生電(diàn)感很(hěn)重要，但内层的设计也很(hěn)关键。对于横向電(diàn)源环路设计，第一内层用(yòng)作“屏蔽层”。该层在屏蔽内部電(diàn)路免受高频功率环路产生的磁场的影响方面起着关键作用(yòng)。電(diàn)源回路产生磁场，该磁场在屏蔽层中感应出電(diàn)流，该電(diàn)流沿与電(diàn)源回路相反的方向流动。屏蔽层中的電(diàn)流会产生磁场，以抵消原始電(diàn)源环路的磁场。最终结果是消除了磁场，从而消除了寄生功率环路電(diàn)感。

完整的屏蔽层紧邻電(diàn)源环路会产生横向布局中最低的電(diàn)源环路電(diàn)感。这种方法在很(hěn)大程度上取决于从電(diàn)源环路到第一内层[6]中包含的屏蔽层的距离。只要最上面的两层非常接近，高频环路電(diàn)感就几乎不依赖于总板厚