對使用Transphorm GaN功率開關器件的PCB進行布板和探測，針對高開關速度的設計，最好使用低感布板，并為各路信號推薦恰當的接地層；此外，要獲得正確的測量結果，低感的接地和信號連接也至關重要。

簡介

Transphorm的氮化鎵開關管因為具有更低的柵極電荷、更高的開關速度、以及更小的反向恢復電荷，比硅基超結MOSFET具有更明顯的優(yōu)勢。硅技術通常只能做到低于50V/ns開關速度，而GaN開關器件的開關速度可超過150V/ns，甚至可推升至500V/ns。

更高的開關速度可以降低GaN器件的電流-電壓交越損耗，電路在高頻下實現高效率。但是，要充分利用GaN開關的快速開關特性，必須遵守特定的PCB布板準則和探針測量技術。

這里，我們就以一塊PFC開發(fā)演示板為例，來看看搭載高開關速度GaN開關器件的PCB的布板和探測的一般規(guī)則吧。有關演示板的詳情資料，參見Transphorm公司TDPS300E1A8的參考設計。

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PFC電路布板需考慮的因素

2.1 功率回路

圖1是一個典型的基于升壓變換器PFC電路的功率半導體元件/功率回路。可以看出，功率回路中存在多處寄生電感和寄生電容。

圖1. 典型的帶有寄生效應的升壓變換器電路

這些寄生元件構成高頻諧振回路，當晶體管快速開通和關斷時，電壓和電流的快速瞬態(tài)變化將激發(fā)諧振。由于GaN開關管上升和下降時間均小于10ns，因此，在設計GaN功率電路時，必須格外小心以避免電路中出現過多振鈴。

Transphorm通過晶體管封裝內的布局布線已經將器件的電感和電容最小化。但是，設計人員需要負責PCB的布局布線，以使電路板的電感和電容最小化。

圖2是功率回路正確布板示例，說明如下：

使用大接地層，實現GaN開關（Q1）的低感接地。

高壓開關節(jié)點面積小，避免在開關節(jié)點上產生額外的電容。

功率器件GaN開關（Q1）和二極管（D3）、電感（L1）、以及去耦電容（C18）盡可能靠近放置，最大程度地減小電感。

DC+輸出層較大，便于去耦，同時被用作升壓二極管（D3）的散熱器。

連接DC+輸出層和接地層的去耦輸出電容（C17）引腳盡可能短。

升壓二極管負極和GaN開關源極之間放置一個快速薄膜電容（C18），以吸收噪聲并解耦輸出走線電感。

2.2 柵極回路/柵極驅動電路

圖3顯示柵極驅動回路中產生的寄生電感和電容。所有寄生電感中，圖3的L1最關鍵，因為它同時存在于柵極驅動回路和功率回路中。

圖3. PFC柵極驅動電路中產生的寄生成分

晶體管源極上的電流瞬變（di / dt）會在L1兩端產生感應電壓VL（VL = L1×di / dt），實質性改變柵極到源極的電壓VGS。如果L1過大，則感應電壓可以在未改變柵極驅動電壓的情況下就導通或截止晶體管。

因此，非常重要的是需要保持L1盡可能低，并直接將控制IC的COM腳（接地引腳）連接到HEMT的源極引腳，而不將功率路徑包含到柵極驅動回路中。

IC的COM引腳通過一條寬走線（節(jié)點1）直接連接到GaN開關的源極引腳，與功率回路分隔開。

IC的OUT引腳通過一條短走線直接連接到GaN開關的柵極引腳（節(jié)點2），不需要柵極電阻。

去耦薄膜電容器（C1）直接置于控制IC的VCC和COM引腳之間。

IC的COM引腳連接到一個較大的接地層，為必須連接到COM（節(jié)點3）的控制電路提供最短的接地路徑。

將GaN開關的金屬舌片用作載流源極端子，將其源極管腳以開爾文形式連接到驅動電路的載流源極，可以非常有效地進一步降低S-tab GaN開關的源極電感。

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探測需考慮因素

3.1 準確探測

為了評估PCB布板的正確，準確測量開關節(jié)點上的電壓非常重要。但是，開關節(jié)點上的快速電流瞬變會在測量探針中感應電壓振鈴。也就是說，測量過程中示波器上看到的電壓并不是測量的真實數據，不是節(jié)點上的實際電壓。

遵循以下建議，可以最大程度地減少總體測量誤差并得到更好的測量結果：

要正確捕獲開關節(jié)點電壓瞬變，示波器探針的接地引線長度是最重要的影響因素之一。因此，請不要使用示波器探針附帶的標準3英寸接地導線。這個長的導線環(huán)路會充當天線，拾取電路板的電磁干擾噪聲，顯示比器件實際值更高的開關節(jié)點電壓振鈴值（圖5左）。

相反，應該使用盡可能短的接地線，并將其連接到示波器探針外圈（圖5右）。示波器探針尖端和接地點必須直接放置在器件引腳上，探針放置在遠離器件的地方會增加測量誤差。

調整導線長度，并使其與示波器探針尖端平行，可最大程度地減小感應回路的面積。

綜合使用這些測量方面的貼士，就能夠正確測量GaN開關的實際電壓瞬變。

3.2 避免引入額外的寄生效應

同樣重要的是，在探測時不要在電路中引入額外的寄生效應。例如：

避免在功率回路的寄生諧振回路中額外增加導線。不幸的是，要做到這一點，就沒有可能同時使用電流探針測量開關電流。

使用真正的浮動示波器。如果示波器的接地沒有設計成電容最小的、真正的浮動接地，而只是簡單地與地斷開，那么，由于檢測電路的地連接至示波器的機箱，檢測回路中將存在相當大的寄生電容。將這樣的示波器接地連接到開關節(jié)點上，將在被測波形中引入更多的振鈴。

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結論

使用高開關速度的GaN開關器件需要特別注意線路板布板設計、組件放置、以及探針測試，最大程度地減少振鈴，最大程度地提高性能并準確測量性能。關鍵是盡量減少電路的寄生電感和電容。

責任編輯：haq