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技術(shù)專題
GaN晶體管電路的布局注意事項(xiàng)
隨著用MOSFET使GaN器件的價(jià)格正?；?，以及具有不同額定電壓和功率處理能力的各種器件的擴(kuò)展，在主流應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了更廣泛的接受，例如計(jì)算機(jī)的DC-DC轉(zhuǎn)換器，機(jī)器人，電動(dòng)自行車和踏板車。早期采用者的經(jīng)驗(yàn)為后來進(jìn)入GaN世界的參與者提供了更快進(jìn)入生產(chǎn)的道路。
本文是討論三個(gè)主題的系列文章的第一篇，這三個(gè)主題可以幫助電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員以最低的成本獲得最大的GaN基設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。這三個(gè)主題是：（1）布局注意事項(xiàng)；（2）散熱設(shè)計(jì)，可最大程度地處理功率；（3）降低成本的EMI降低技術(shù)。
GaN的高開關(guān)速度帶來的寄生電感
在比老化的MOSFET更高的頻率下使用GaN能夠引起人們對(duì)寄生電感的衰減效應(yīng)的關(guān)注在電源轉(zhuǎn)換電路[1]中。這種電感阻礙了GaN極快開關(guān)功能的全部優(yōu)勢(shì)的提取，同時(shí)減少了EMI的產(chǎn)生。對(duì)于大約80％的功率轉(zhuǎn)換器中使用的半橋配置，寄生電感的兩個(gè)主要來源是：（1）由兩個(gè)電源開關(guān)器件以及高頻總線電容器形成的高頻功率環(huán)路，以及（2）由柵極驅(qū)動(dòng)器，功率器件和高頻柵極驅(qū)動(dòng)電容器組成的柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路。共源極電感（CSI）由環(huán)路電感的一部分定義，該部分對(duì)柵極環(huán)路和電源環(huán)路都通用。如圖1中的箭頭所示。
圖1：半橋功率級(jí)的示意圖，其中功率和柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路以及虛線所示的公共源極電感
最小化寄生電感
當(dāng)考慮高速功率器件的布局時(shí)，所有寄生電感的最小化至關(guān)重要。不可能相等地減少電感的所有分量，因此，必須按重要性順序解決，從公共源電感開始，然后是電源環(huán)路電感，最后是柵極環(huán)路電感。
對(duì)于高壓PQFN（功率四方扁平無引線）MOSFET封裝，眾所周知，需要單獨(dú)的柵極返回源引腳，并且也已在高壓GaN PQFN結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)[2,3]。當(dāng)這些單獨(dú)的引腳可用時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路和電源環(huán)路在封裝內(nèi)是分開的，并且在外部連接時(shí)必須格外小心。
共源極電感的降低是以外部源極電感的代價(jià)為代價(jià)的，該外部源極電感被推到柵極環(huán)路之外。一旦移除了公共源電感，該外部電感就會(huì)由于設(shè)備速度的提高而導(dǎo)致接地反彈的增加[4]。
增強(qiáng)型GaN晶體管采用晶圓級(jí)芯片規(guī)模封裝（WLCSP），其端子采用焊盤柵格陣列（LGA）或球形柵格陣列（BGA）格式。其中一些器件沒有提供單獨(dú)的柵極返回源引腳，而是提供了許多非常低的電感連接，如圖2所示。這些封裝的總封裝電感通常小于100 pH。這大大減少了電感的所有分量，從而減少了所有與電感有關(guān)的問題。通過分配最靠近柵極的源極焊盤作為柵極環(huán)路和電源環(huán)路的“星形”連接點(diǎn)，這些LGA和BGA封裝可以與提供有專用柵極返回引腳或柵條的方式相同。
圖2：LGA（a）和BGA（b）格式的GaN晶體管顯示了器件電流流動(dòng)的方向，該方向使共源電感最小
盡管最小化組成環(huán)路的各個(gè)元件的電感（即電容器ESL，器件引線電感和PCB互連電感）很重要，但設(shè)計(jì)人員還必須專注于最小化總環(huán)路電感。由于回路的電感由存儲(chǔ)在其中的磁能決定，因此可以通過使用相鄰導(dǎo)體之間的耦合來感應(yīng)磁場(chǎng)自抵消，來進(jìn)一步減小總回路電感。
通過將漏極和源極端子交織在設(shè)備的一側(cè)，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)帶有相反電流的小環(huán)路，這些環(huán)路會(huì)通過磁場(chǎng)自抵消而降低總體電感。這不僅適用于圖3（a）所示的PCB走線，而且適用于圖3（b）所示的垂直焊料連接和層間連接過孔。通過形成多個(gè)小的磁場(chǎng)消除環(huán)路，總磁能和電感都將大大降低[5]。
圖3：安裝在PCB上的LGA GaN晶體管顯示交流電流（a）頂視圖（b）側(cè)視圖
通過將漏極電流和源極電流從中心線引出到器件的兩側(cè)，并復(fù)制磁場(chǎng)消除效果，可以進(jìn)一步減小局部環(huán)路電感。這通過減少每個(gè)導(dǎo)體中的電流來工作，從而進(jìn)一步降低了存儲(chǔ)的能量，并且較短的電流路徑產(chǎn)生了較低的電感。
常規(guī)電源回路設(shè)計(jì)
為了了解如何在實(shí)際布局中實(shí)現(xiàn)功率環(huán)路電感最小化，提出了兩種傳統(tǒng)的功率環(huán)路方法進(jìn)行比較。這兩種方法分別稱為“橫向”和“垂直”。
橫向電源回路設(shè)計(jì)
橫向布局將輸入電容器和器件緊密放置在PCB的同一側(cè)，以最大程度地減小高頻電源環(huán)路的面積。此設(shè)計(jì)的高頻環(huán)路包含在PCB的同一側(cè)，并被視為橫向電源環(huán)路，因?yàn)殡娫喘h(huán)路在單個(gè)PCB層上橫向流動(dòng)。使用LGA晶體管設(shè)計(jì)的橫向布局示例如圖4所示。該圖中突出顯示了高頻環(huán)路。
圖4：基于LGA GaN晶體管的轉(zhuǎn)換器的常規(guī)橫向功率環(huán)路：（a）頂視圖（b）側(cè)視圖
雖然最小化環(huán)路的物理尺寸對(duì)于降低寄生電感很重要，但內(nèi)層的設(shè)計(jì)也很關(guān)鍵。對(duì)于橫向電源環(huán)路設(shè)計(jì)，第一內(nèi)層用作“屏蔽層”。該層在屏蔽內(nèi)部電路免受高頻功率環(huán)路產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響方面起著關(guān)鍵作用。電源回路產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在屏蔽層中感應(yīng)出電流，該電流沿與電源回路相反的方向流動(dòng)。屏蔽層中的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，以抵消原始電源環(huán)路的磁場(chǎng)。最終結(jié)果是消除了磁場(chǎng)，從而消除了寄生功率環(huán)路電感。
完整的屏蔽層緊鄰電源環(huán)路會(huì)產(chǎn)生橫向布局中最低的電源環(huán)路電感。這種方法在很大程度上取決于從電源環(huán)路到第一內(nèi)層[6]中包含的屏蔽層的距離。只要最上面的兩層非常接近，高頻環(huán)路電感就幾乎不依賴于總板厚