應(yīng)用方案
聚焦用戶需求，持續(xù)技術(shù)革新
專(zhuān)注于：電源/新能源，運(yùn)動(dòng)控制，醫(yī)療，汽車(chē)電子等行業(yè)的器件及方案應(yīng)用。
激光雷達(dá)（Lidar）是一種用于精確測(cè)距的激光探測(cè)技術(shù)。柵極驅(qū)動(dòng)器與GaN器件在最大化激光器發(fā)射能力上起到重要作用，為激光雷達(dá)帶來(lái)更高的分辨率。NSD2017是一款適用于激光雷達(dá)應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器，具有強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力、支持極窄脈寬輸出以及強(qiáng)抗干擾能力的特點(diǎn)。本文從激光雷達(dá)的應(yīng)用特點(diǎn)出發(fā)，介紹NSD2017在應(yīng)用中PCB設(shè)計(jì)的注意點(diǎn)。
激光雷達(dá)技術(shù)概要
汽車(chē)自動(dòng)駕駛中的激光雷達(dá)常采用DToF（Direct Time-of-Flight）測(cè)距方式，即通過(guò)直接測(cè)量激光的飛行時(shí)間進(jìn)行距離測(cè)量和地圖成像。圖一是DToF激光雷達(dá)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，信號(hào)處理單元通過(guò)記錄激光發(fā)射器發(fā)出光脈沖的時(shí)刻，以及激光接收器收到光脈沖的時(shí)刻，根據(jù)時(shí)間間隔和光速就可以計(jì)算出目標(biāo)距離。
圖1 DToF激光雷達(dá)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)
為實(shí)現(xiàn)高分辨率和寬監(jiān)測(cè)范圍，需要極窄的激光脈沖、極高的激光脈沖功率以及極高頻開(kāi)關(guān)頻率，對(duì)激光發(fā)射器中的功率器件提出了較高的要求。相較于傳統(tǒng)的Si MOSFET，GaN器件的快速開(kāi)關(guān)速度以及高脈沖電流能力，非常適合DToF的應(yīng)用，而GaN器件則需要對(duì)應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。以圖2典型應(yīng)用電路為例，低側(cè)驅(qū)動(dòng)器NSD2017驅(qū)動(dòng)GaN器件為激光器提供高峰值電流。其中，激光脈沖越短，電流斜率要求越高，對(duì)PCB寄生電感的要求越高。本文從優(yōu)化驅(qū)動(dòng)回路出發(fā)，給出了NSD2017的PCB Layout建議。
圖2 典型激光雷達(dá)驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)要點(diǎn)
為減小柵極驅(qū)動(dòng)回路寄生電感對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響，首先需要分析驅(qū)動(dòng)器NSD2017開(kāi)通和關(guān)斷GaN器件的回路。圖3給出了柵極驅(qū)動(dòng)回路的示意圖。
圖3 柵極驅(qū)動(dòng)回路示意圖
紅色曲線為驅(qū)動(dòng)開(kāi)通回路，當(dāng)NSD2017輸入信號(hào)轉(zhuǎn)為高電平時(shí)，去耦電容正端經(jīng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部PMOS、驅(qū)動(dòng)電阻至GaN HEMT的柵極，再由GaN HEMT的源極經(jīng)地平面回到去耦電容負(fù)端。藍(lán)色曲線為驅(qū)動(dòng)關(guān)斷回路，當(dāng)NSD2017輸入信號(hào)轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，電流經(jīng)GaN HEMT柵極、驅(qū)動(dòng)電阻、驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部NMOS，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)地平面回到GaN HEMT源極。 柵極回路電感的主要影響有以下幾個(gè)方面：1）柵極回路電感直接影響開(kāi)關(guān)性能，降低有效柵極驅(qū)動(dòng)速率；2）柵極回路電感與GaN器件柵極電容形成諧振回路，將在GaN器件柵極產(chǎn)生過(guò)電壓；3）諧振產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)將導(dǎo)致器件誤開(kāi)關(guān)，這對(duì)低閾值電壓的GaN器件影響尤為嚴(yán)重。 為減低寄生電感和器件柵極電容諧振的影響，一般會(huì)在驅(qū)動(dòng)器輸出增加驅(qū)動(dòng)電阻，NSD2017分裂式輸出的特點(diǎn)便于根據(jù)驅(qū)動(dòng)開(kāi)通和關(guān)斷的諧振表現(xiàn)，靈活調(diào)整電阻阻值RG1和RG2。雖然調(diào)整驅(qū)動(dòng)電阻可以解決驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)過(guò)程中遇到的振鈴或誤開(kāi)關(guān)問(wèn)題，但減緩了驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)速度，從而影響流經(jīng)GaN HEMT的電流斜率，因此解決開(kāi)關(guān)振鈴的最好方法還是減小寄生電感。以此角度，可以從減小柵極回路電感和減小共源電感兩個(gè)方向出發(fā)。
回路寄生電感設(shè)計(jì)要點(diǎn)
以驅(qū)動(dòng)開(kāi)通回路為例，柵極回路的寄生自感可以認(rèn)為由兩部分組成：其一是由去耦電容至驅(qū)動(dòng)器VDD引腳的寄生電感LVDD、驅(qū)動(dòng)器封裝電感LN、驅(qū)動(dòng)輸出電感LG1和LG、GaN柵極封裝電感組成，寄生電感大小與旁路電容、柵極驅(qū)動(dòng)器和GaN的相對(duì)位置以及PCB的走線長(zhǎng)短粗細(xì)有關(guān)；其二是由GaN源極封裝電感、GaN源極PCB電感LSRC以及地回路電感LGND組成，受GaN封裝設(shè)計(jì)、地回路的處理以及過(guò)孔的放置等影響。為減小驅(qū)動(dòng)回路電感，有兩個(gè)方向：其一是減小驅(qū)動(dòng)回路走線自感。建議使用短粗走線進(jìn)行連接。由于面積相同的情況下，長(zhǎng)走線的寄生電感大于細(xì)走線，長(zhǎng)走線寬度增加一倍時(shí)，走線電感并不會(huì)減半。因此GaN器件與驅(qū)動(dòng)器的相對(duì)位置擺放尤為重要。以下圖為例，GaN器件柵極緊靠驅(qū)動(dòng)器輸出，驅(qū)動(dòng)開(kāi)通電流路徑（藍(lán)色）與返回電流路徑（灰色）實(shí)現(xiàn)層間平行。
圖4 驅(qū)動(dòng)器與GaN器件擺放
與柵極關(guān)斷回路相比，開(kāi)通回路的寄生電感的減小，還需要考慮電流流過(guò)高頻去耦電容帶來(lái)的影響。一般建議在NSD2017靠近供電引腳VDD附近放置大、小容值的兩個(gè)電容，大容值電容一般為1-2uF用于保持VDD穩(wěn)定，小容值電容一般為100nF-500nF用于濾除高頻噪聲。小容值電容使用短粗連線靠近放置VDD引腳附近，如果允許的話，建議使用低自感瓷片電容，如饋通電容等。其二是合理利用磁通抵消原則減小寄生電感。比較簡(jiǎn)單的方式是，觀察驅(qū)動(dòng)開(kāi)通電流路徑和返回路徑所圍面積，面積越小，寄生電感越小。因此，電流返回路徑選擇開(kāi)通電流路徑緊鄰的層，可以最大限度增加電感耦合實(shí)現(xiàn)最小化電感。
共源電感設(shè)計(jì)要點(diǎn)
柵極驅(qū)動(dòng)電流路徑和功率回路電流路徑共用器件源極的寄生電感，這部分電感稱為共源電感，一般由GaN 器件源極封裝電感和源極PCB電感兩部分組成。 共源電感同樣需要最小化，且在激光雷達(dá)應(yīng)用中最小化共源電感的優(yōu)先級(jí)高于最小化柵極回路電感。當(dāng)器件開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，共源電感在開(kāi)關(guān)時(shí)刻產(chǎn)生與柵極驅(qū)動(dòng)電壓相反的電壓，將減緩器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，增大開(kāi)關(guān)損耗，影響GaN的電流斜率，從而影響光脈寬信號(hào)。 為減小共源電感對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響，常利用開(kāi)爾文連接方式將驅(qū)動(dòng)回路和功率回路分開(kāi)，以減小耦合。目前有商用GaN 器件中集成開(kāi)爾文引腳，實(shí)現(xiàn)柵極電流回路與功率電流回路的解耦，消除了共源電感的影響。
圖5 器件集成開(kāi)爾文引腳以消除共源電感影響
而目前較多低壓GaN 器件沒(méi)有開(kāi)爾文引腳，可以通過(guò)PCB處理將功率回路和驅(qū)動(dòng)回路分開(kāi)。常見(jiàn)的處理方式如圖6所示，選擇靠近器件柵極的源極引腳作為驅(qū)動(dòng)回路，其他引腳作為功率回路。
圖6 利用封裝分開(kāi)驅(qū)動(dòng)回路和功率回路
為實(shí)現(xiàn)最小共源電感，功率地與驅(qū)動(dòng)地之間單點(diǎn)連接，建議將微過(guò)孔盡量靠近驅(qū)動(dòng)器和功率器件擺放，如圖7所示。
圖7 建議的微過(guò)孔擺放方式
圖8給出NSD2017一種常見(jiàn)的Layout設(shè)計(jì)，GaN器件中靠近Gate的Source中放置微孔，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)地與功率地的單點(diǎn)連接，同時(shí)選用驅(qū)動(dòng)開(kāi)通電流相近層作為電流返回層，實(shí)現(xiàn)回路面積最小。（示例Layout僅2層，用作說(shuō)明）
圖8 NSD2017推薦Layout
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