采用 ADI 控制器简化 GaN 功率转换设计

使用氮化镓 (GaN) 场效应晶体管 (FET) 的功率转换器应用，与硅场效应晶体管 (FET) 相比，在效率和功率密度方面都有显著提高，但同时也引入了新的设计考虑因素。GaN 器件的快速开关能力甚至会放大微小的时序误差或电压失配，这会影响性能和可靠性。

GaN 开关动作的发生速度可超出传统控制方法与测量工具的能力极限。设计人员必须严格控制栅极电压 —— 通常需将其限制在 + 6V 至 - 4V 范围内，同时还要处理压摆率超过 30V/ns 的电压跳变。

与硅晶体管相比，GaN FET 的功率损耗更小。例如，使用 100 V GaN FET、工作频率为 500 kHz 的 12 V 降压转换器的效率可达 97%。与使用 100 V 的硅 FET 相比，这相当于减少了约 40% 的功率损耗（总体效率提高了 2% ）。

对于基于 GaN 的功率级来说，一个核心应用方向是系统中的高效 DC/DC 转换，例如 48 V 至 12 V 负载点设计。基于 GaN 的解决方案能够在保持高效率的同时实现显著更高的开关频率，通常可达 500kHz 及以上，这使得设计人员既能提高功率密度，又能减小方案的占板面积。

要实现这些优势，并非简单地将硅器件替换为 GaN 器件即可。低栅极电荷和极快的开关边沿在提升性能的同时，也会使应用对栅极驱动精度、时序以及布局寄生参数更为敏感。若缺乏精细控制，过冲、振铃以及电磁干扰 (EMI) 等问题会迅速抵消效率优势。

许多传统控制器和标准测试设备都难以应对 GaN 功率转换的难题，因此在实际设计中确保可靠运行和准确的测量性能将变得更加困难。在某些情况下，设计人员会发现自己陷入“捕风捉影”的困境，因为他们需要将真实的栅极行为与高 dv/dt（电压变化率）开关噪声区分开来。

在许多 GaN 设计中，控制器需要额外的元件来确保可靠运行，包括用于限制栅极电压、控制开关时序以及降低噪声和振铃的电路。Analog Devices, Inc. (ADI) 提供一系列具有集成功能的 GaN 功率控制器，以满足这些要求并简化整体设计。

GaN 优化控制器

向基于 GaN 的设计转型，与其说是彻底重构功率转换技术，不如说是对实施细节进行精细打磨，尤其是在布局、栅极控制和测量方面。

专为 GaN 设计的栅极驱动器通常能更严格地控制上升和下降时间，具有更优的噪声抗扰度和更精确的时序对齐能力。此外，最小化环路面积、精心管理回流路径等布局技术，对于实现预期的效率提升变得更为关键。

ADI 的高性能 DC/DC 开关稳压器控制器采用统一架构，专注于精准栅极驱动控制、稳压自举管理以及栅极过压保护。集成死区时间控制功能可最大限度降低直通风险，同时减少对额外外部栅极驱动组件的需求。

LTC789x 系列主要通过拓扑（降压与升压）和通道数（单通道与双通道）进行区分，以支持灵活的系统级电源架构选择：

• LTC7890 是一款 100 V 双通道降压控制器，专为多轨或多相功率转换应用而设计。使用该器件，设计人员能够控制两个独立的降压级，或将其并联运行以获得更大的输出电流。
• LTC7891（图 1）是一款 100 V 同步降压控制器，专为单输出功率转换应用，如内核电源或大电流负载点电源轨。该器件针对以稳压精度和效率为首要要求的简洁单级降压设计进行了优化。

图 1：内置智能自举开关的 ADI LTC7891 控制器。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

• LTC7892（图 2）是一款 100 V 双通道升压控制器，适用于多轨或灵活的升压电源架构。该器件支持两个独立的升压级，可实现紧凑的多输出或系统功率转换设计，并满足这些设计中电压必须跨多个轨升高的要求。

图 2：ADI 的 LTC7892 的栅极驱动电压可在 4 V 至 5.5 V 之间精确调节，以优化性能并允许使用不同的 GaN FET。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

• LTC7893 是一款 100V 升压控制器，专为单通道高压前端或中间总线生成应用而设计。该器件适用于需要单路更高功率升压级，而非多路输出的设计方案。

从系统层面来看，DC-DC 转换器的基本功能始终保持不变 —— 仍是将一种 DC 电压转换为另一种 DC 电压。然而，GaN 器件将设计重点转向了时序、布局和寄生参数控制等关键实施细节。

集成功能

GaN 器件能够实现比硅基 FET 更高的开关频率。更高的开关频率意味着可以采用体积更小的电感，并且在大多数情况下可以减小输出电容，以提高功率密度并缩小解决方案的总尺寸。其权衡在于，在较低频率下可接受的寄生电感，在高频下会导致振铃、过冲和 EMI 问题。

这些挑战同时延伸到控制和验证两个环节。需要精确的栅极电压调节以确保 GaN 器件工作在其狭窄的工作窗口内，而高 dv/dt 开关特性使得使用传统探测技术难以准确测量高侧信号。因此，电路实施和测试方法都必须进行调整，以匹配器件的开关速度。

如今的设计人员不再追求开关速度最大化，而是越来越注重对开关速度进行精准控制。对于传统硅基 FET，设计人员通常采用更强的栅极驱动，尽可能地加快器件的开关速度来提升效率。更快的转换速度能够降低开关损耗，且由此产生的任何噪声通常都可控。

GaN 器件本身已具备极快的开关能力，若通过采用激进的栅极驱动进一步提高其开关速度，反而会造成新的问题。电压快速转换会激发电路中的寄生元件，导致振铃和 EMI 问题。

典型的 100 V GaN FET 的驱动电压约为 5 V，安全工作范围约为 +6 V 至 -4 V。要保持在该工作窗口内，需要稳压性能良好的栅极电源，并对开关过冲和下冲进行严格控制。

对于低侧 FET 而言这很简单，通常一个稳定的 5V 电源就足够了。高侧 FET 则更具挑战性。由于 GaN 器件的反向导通特性，传统自举电路可能会意外地将栅极电压提升至安全限值以外。与具有约 0.7V 体二极管压降的硅基器件不同，GaN 器件的反向导通有效压降可达 2V 至 3V，这会升高自举电容上的电压，并可能导致栅极过驱动。

在基于 GaN 的降压转换器中，如果开关过程不可控，则高侧栅极电压很容易超过安全限值。例如，如果没有串联一个小型栅极电阻，栅源电压可能会超过典型的 +6V 最大值。添加一个阻值适中的电阻（如约 2 Ω）有助于降低该电压，并抑制栅极和开关节点处的振铃现象。

测量 GaN 栅极信号

准确测量栅极信号是基于 GaN 的设计面临的一大挑战。虽然标准示波器探头可以捕获低侧栅极和开关节点等地参考信号，但高侧栅极信号的观测难度要大得多。其源节点在 V_IN 和地之间快速摆动，具有极快的边沿（超过 30V/ns）和高频振铃。

这些条件超出了许多传统差分探头的实际使用极限。因此，设计人员通常依赖光隔离探头等专用工具，这类探头能够提供准确捕获高侧 GaN 栅极波形所需的高共模抑制能力和带宽。测量结果必须与制造商参考数据进行比对验证，以确保获得精确的性能表征。

布局不当会降低甚至抵消基于 GaN 的功率转换优势。过长的电流环路、布局不当的输入电容以及过大的栅极走线电感，都会引入额外的损耗和噪声，从而抵消更快的开关速度形成的优势。从设计角度来看，器件性能的瓶颈已不再是器件本身，而是系统对寄生参数和时序的精准控制能力。

ADI 的控制器通过调节自举电压来防止分立器件方案中常见的过压问题，从而简化高侧运行。这不仅减少了对外部钳位元件的需求，还能确保在各种工作状态下都能保持稳定的栅极驱动条件。

结语

ADI 的 LTC789x 系列控制器无需依赖多个外部辅助元件，而是集成了实现基于 GaN 的功率转换可靠运行所需的关键功能。通过对栅极驱动时序和电压进行严格控制，这些器件能够确保 GaN FET 即使在高 dv/dt 开关事件中也能工作在安全限值范围内。内置的死区时间和开关转换控制功能可提高可靠性并防止效率降低，即使在高开关频率下运行时也是如此。设计人员无需再处理 GaN 栅极驱动行为的底层复杂问题，而是可以将更多精力花在优化系统级性能上，例如布局、热设计和功率密度。