|
Полумостовой GaN драйвер с бутстрепным питанием
| |
| kotrad78 | Дата: Понедельник, 2025-Май-05, 05:29 | Сообщение # 1 |
 мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 971
Статус: Offline
| Итак, дошли у меня руки до бутстрепного питания. Данных будет много, поэтому вынес в отдельную тему.
Бутстрепное питание, это когда конденсатор драйвера верхнего плеча заряжается через открытый, нижний силовой мосфет. Когда нижний мосфет закрывается, конденсатор отдаёт накопленную энергию верхнему драйверу и он открывает верхний силовой мосфет. И так по циклу.
Такая схема обычно применяется в блоках питания, преобразователях, некоторых модуляторах, т.е. там, где частота 100кГц +/-. Но, я так нигде в интернете и не нашёл материала, применял ли кто бутстреп на мегагерцовых частотах. Поэтому, цель эксперимента - изучить работу.
За основу взял микросхему полумостового драйвера Texas Instruments TPS28225DR, средняя цена 1$ https://www.lcsc.com/product....97.html
Именно её, т.к. она работает от 4.5В, такое низкое напряжение нужно GaN транзисторам, применил Tokmas CID10N65F в корпусе ТО-220F, средняя цена 1$ https://www.lcsc.com/product....32.html
Весь монтаж преднамеренно делал на выводных деталях и на "фиговых" по ESR конденсаторах типа "жёлтая капля".
Схема:
Фото:
Запаял все детали, промыл спиртом, подал питание и сигнал с генератора... Схема заработала сразу. Что очень обрадовало).
Сигнал на затворе карбида:
1.7МГц, 15В, потребляемый ток (всей схемы) 86мА, Rise time / Fall time 17/17нс. Это самые крутые фронты, из всех драйверов, которые ранее приходилось тестировать!!
Нагрев не снимал, т.к. всё холодное!
3.3МГц, 15В, 153мА. Ток немного выше, чем у заводских драйверов от Ti (около 115-120мА). Ну, это и понятно, т.к. линейная 5В ЛМ-ка большую часть тока "съедает". Фронты на 3.3МГц такие же, по 17нс!!
Нагрев микросхемы 40 градусов:
В след. сообщении продолжу.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Понедельник, 2025-Май-05, 12:55 | Сообщение # 2 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 971
Статус: Offline
| прошу прощения, света не было.
Нагрев 5В лм-ки 44 градуса.
Нагрев GaN (далее просто ган-ы) транзисторов:
верхний 42
нижний 40
Это так же, самый низкий нагрев всех компонентов драйвера, которые приходилось тестировать. Вдуматься только!! 3.3МГц, а силовые мосфеты драйвера по 40 градусов всего!! И это без радиатора. То есть, есть задел драйвер такого типа использовать в мостовых передатчиках на 4-х кремниевых мосфетах и трансформаторе.
6.7МГц, 15в, ток 323мА, Rise time / Fall time 24/18 нс
Нагрев микросхемы 54 градуса
Нагрев лм-ки 55 градусов
в след. сообщении продолжу.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Понедельник, 2025-Май-05, 13:11 | Сообщение # 3 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 971
Статус: Offline
| Нагрев ган-ов 54/48
Хотел провести тест на 10.4МГц, но, не получилось. При поднятии частоты (повышал по 100кГц), в районе 9МГц сигнал на затворе стабильно пропадал. При разбирательстве причин, нашёл в даташите, что в микросхеме есть защита от слишком сильного сквозного тока. Микросхема сама этот сквозной ток регулирует, меняя скважность выходных сигналов. Когда фронты слишком сильно расползаются (увеличение частоты, или слишком сильная нагрузка), микросхемы отключает выход.
Отключил карбид, т.е. нагрузку и повышал частоту. Без нагрузки фронты стали, конечно же более прямыми, драйвер смог работать до 12МГц, потом так же отключился. Это подтвердило систему аварийного выключения при большом сквозном токе. Очень полезная функция.
Для одного 160-го карбида, предельная, стабильная частота 8.8МГц
8.8МГц, 15В, 359мА, фронты 25/16нс
Нагрев микросхемы 53.5 градуса (почти такой же, как и на 6.7МГц)
Нагрев ЛМ-ки 55 градусов, тоже, такой же как и на 6.7МГц
Нагрев ган-ов 58/55
Все ранее тестируемые драйверы на таких частотах грелись в районе 80-90 градусов и выше. А тут 58/55. Полумостовой драйвер на GaN получился очень эффективным на тепловыделение даже без дополнительных радиаторов.
В следующем сообщении продолжу.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Понедельник, 2025-Май-05, 13:27 | Сообщение # 4 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 971
Статус: Offline
| Отключил карбид, выход драйвера нагружен только на 3кОм разрядный резистор затвора.
3.3МГц, 15В, 47мА, фронты 3/4нс
Ган-ы очень скоростные, поэтому ВЧ звон тоже получился весьма большой.
Нагрев без нагрузки, ЛМ-ка 43 градуса
Микросхема 41 градус
Ган-ы 40/37
Без нагрузки 47мА
С нагрузкой 153мА
КПД всего драйвера 70%
Думаю, если заменить линейную лм-ку "нагреватель" на что-то ШИМ-импульсное, КПД ещё сильнее вырастет.
Теперь сигналы на затворах.
3.3МГц, Нижний ган:
Как видим, скважность сигнала 40%. Это значит, что микросхема сама, автоматически выбирает максимальную скважность, но, чтобы при этом не было сквозного тока. Для 3.3МГц это получилось 40%. 40% на нижнее плечо, 40% на верхнее, в итоге 80% энергии на выход драйвера.
Долгосрочный предел на затворе для этого типа ган-ов 7-8В, критический 10В. У нас же, с учётом ВЧ звонов получилось 6.3В, что отлично.
В след. сообщении продолжу.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Понедельник, 2025-Май-05, 13:49 | Сообщение # 5 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 971
Статус: Offline
| Сигнал на затворе верхнего плеча. Исток этого транзистора является выходом драйвера, поэтому обычным осциллографом не посмотришь. Подключил портативный.
Измерение с земляным проводом - крокодилом:
Измерение с земляной пружинкой на щупе, прямо на ногах затвор-исток верхнего ган-а:
Земляная пружинка на щупе осциллографа существенно снижает ВЧ звон.
Итак, что мы тут видим.
1. Скважность 43%, почти такая же, как и скважность нижнего плеча. Т.е., ещё одно подтверждение, что микросхема автоматически подгоняет скважность под нужную частоту и нагрузку, чтобы исключить сквозной ток в ган-ах. Отлично.
2. Вертикальная клеточка 1В, амплитуда от 0 до верхней полки 3.8-3.9В. Почему не 5, ведь питание 5В? Потому, что внутри микросхемы стоит бутстрепный разделительный диод, на котором и падает около 1В.
Таким образом, на затвор нижнего ган-а идёт 5В, на затвор верхнего 3.8..3.9В. В итоге, верхний ган открывается чуть хуже, поэтому и чуть сильнее греется, что можно было наблюдать на замерах тепловизором выше.
Это - единственный минус бутстрепного питания, когда диод интегрирован в самой микросхеме. Гораздо лучше, если диод требуется внешний. Тогда их можно будет поставить два, один на нижний канал, второй на верхний, питание затворов тогда станет идеально ровным.
Вот такой получился эксперимент.
Итоги.
1. КПД драйвера не отличный, но, хороший. Нужно будет попробовать заменить лм-ку на что-то импульсное.
2. Нагрев всех элементов - превосходный! Очень низкий, даже с учётом такого монтажа и отсутствием радиаторов и полигонов.
3. Есть задел на подключение к такому драйверу нескольких силовых мосфетов для мостового передатчика, с питанием затворов через трансформатор.
4. Если все элементы поставить SMD, качественные, сократить все дорожки и ножки ган-ов, ВЧ звон можно будет ещё сильнее снизить, немного повысив КПД.
Общий итог - бутстрепное питание на мегагерцовых частотах отлично работает!
p.s. Обратите внимание на даташит:
Ничего выходной каскад не напоминает?))
Верно, он напоминает ФНЧ, катушка первая. Бутстрепное питание у данной микросхемы 33В максимум. Ган-ы же рассчитаны на 650В, т.е. с огромным запасом. В теории, если подать 30В на ган-ы, а выход драйвера согласовать с 50Ом нагрузкой, получится готовый, маломощный передатчик).
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Понедельник, 2025-Май-05, 17:05 | Сообщение # 6 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 971
Статус: Offline
| Цитата kotrad78 (  ) Долгосрочный предел на затворе для этого типа ган-ов 7-8В, критический 10В. У нас же, с учётом ВЧ звонов получилось 6.3В, что отлично.
Это был замер сигнала на затворе щупом осциллографа, у которого земляной проводок с зажимом крокодил
А это тоже замер, вместо крокодила - земляная пружинка
Как видим, реальное максимальное напряжение на затворе не 6.3В, а 5.5В, что ещё безопаснее для долговременной работы ган-ов. Просто измерять с земляной пружинкой очень неудобно и опасно, она так и норовит спружинить и коротнуть чего-нибудь), но, зато правильнее, сигнал получается более честный.
Это я сейчас решил провести ещё один эксперимент, подпаял 1N4148 диоды на ноги сток-исток каждого гана, анодом на исток, катодом на сток. Была мысль, что ВЧ звон так станет меньше на выходе драйвера. Неа, вообще никак не изменился, странно конечно.
|
| |
| |
| sobiratel2023 | Дата: Вторник, 2025-Май-06, 10:54 | Сообщение # 7 |
 любопытный
Группа: Пользователи
Сообщений: 55
Статус: Offline
| https://www.analog.com/en/products/ltc7891.html
https://www.analog.com/en/products/ltc7890.html
Пара интересных драйверов затворов ган полевиков,100% работоспособны на 3МГц.Единственный вопрос,как паять-? 
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Среда, 2025-Май-07, 15:48 | Сообщение # 8 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 971
Статус: Offline
| Ради интереса решил проверить сигналы на затворах при 3.3МГц с помощью двухканального осциллографа.
Жёлтый канал - амплитуда +5В, затвор-исток нижнего гана.
Синий канал - амплитуда +20В, затвор верхнего гана - общая масса.
Исток верхнего транзистора является фантомной массой для верхнего драйвера и выходом драйвера, поэтому землю щупа осциллографа туда подключать нельзя, будет КЗ. Земляной щуп подключил на массу. В итоге амплитуда на затворе верхнего ган-а относительно массы +20В.
И это логично. 15В питание + 5В сам сигнал на затворе, в сумме 20В. Красной стрелочкой показан бугорок, он как раз на уровне 15В, т.е. в этом месте верхний ган отключается. Из замеров портативным осциллографом было известно, что фронты верхнего сигнала такие же крутые, как и нижние. Поэтому, дорисовал синей линией на рисунке реальный задний фронт верхнего сигнала:
Итого. Интервал между сигналами верхнего ган-а и нижнего около 18-20нс. Этот интервал называется deadtime, мёртвое время. В итоге сигналы на затворах не пересекаются, а значит транзисторы никогда одновременно не открыты, а значит и сквозной ток полностью отсутствует. Это подтверждается очень низким нагревом выходных транзисторов драйвера.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Среда, 2025-Май-07, 21:06 | Сообщение # 9 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 971
Статус: Offline
| Забыл написать, что предыдущий ган-драйвер был номер 9.
Драйвер №11.1 NATLINEAR LN8322SR-G SOP-8 + GaN транзисторы
Средняя цена микросхемы 0.13$ , что в 7 раз дешевле, чем Texas Instruments TPS28225DR https://www.lcsc.com/product....46.html
Фото:
Микросхема имеет другую распиновку, чем TPS28225DR, поэтому на тестовой печатной плате драйвер был спаян с нуля. Схема:
Схема почти такая же, только производитель рекомендует ставить резисторы R10, R11, которые ограничивают пусковой ток заряда через бутстрепный диод внутри микросхемы. Поставил на 1.2Ом. В остальном всё точно такое же.
Микросхема китайская, поэтому были высокие опасения, что драйвер вообще заработает. Но, нет. Заработал точно так же, с первого раза).
1.7МГц, 15В, потребляемый всем драйвером ток 90мА (у TPS28225DR 86мА), Rise time/Fall time по 22нс (у TPS28225DR по 17нс)
Нагрев микросхемы 44 градуса, лм-ку и транзисторы не замерял, т.к. так же, холодные
3.3МГц, 15В, потребляемый всем драйвером ток 161мА ( у TPS28225DR 153мА), Rise time/Fall time по 21.5нс
В след. сообщении продолжу. p.s. На 3.3МГц сигнал похож на драйвер IXDD609
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Среда, 2025-Май-07, 21:21 | Сообщение # 10 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 971
Статус: Offline
| Нагрев микросхемы 50 градусов (у TPS28225DR 40)
Нагрев лм-ки 46.5 (у TPS28225DR 44.1)
Нагрев транзисторов 43.6/39.4 (у TPS28225DR 42.1/40.6)
А вот предельная частота работы оказалась существенно ниже. Поднимал по 100кГц, микросхема стабильно работает до 4.5-4.6МГц, выше - уже срабатывает защита от перекрёстного сигнала, т.е. от сквозного тока.
4.5МГц, 15В, 218мА, фронты такие же, по 21.5нс
Нагрев:
микросхема 55 градусов
лм-ка 50 градусов
транзисторы 47/42
И сигналы на затворах при 3.3МГц
Жёлтый луч - нижний затвор
Синий луч - верхний затвор
Картина точно такая же, как и у TPS28225DR (8 сообщение). Единственное отличие, минимальное мёртвое время у китайской микросхемы оказалось выше, чем у американской, поэтому один канал уже, другой шире. Но, на конечный выходной сигнал это не влияет.
Мёртвое время (минимальное) у TPS28225DR около 17-20нс
Мёртвое время (минимальное) у LN8322SR-G около 45нс
Итог.
1. Китайский производитель порадовал. Хоть микросхема и не такая скоростная, как американская, но, отлично подойдёт и для "тройки" и для "пионерки"
2. КПД и нагрев такие же отличные, как и у американской.
3. Ну, а цена в 7 раз дешевле, делает её пока вне конкуренции.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Среда, 2025-Май-07, 22:45 | Сообщение # 11 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 971
Статус: Offline
| Драйвер №11.2 Richtek Tech RT9624AZS SOP-8 + GaN транзисторы
Средняя цена 0.33$ , микросхема так же, китайская https://www.lcsc.com/product....20.html
Схема точно такая же, как в предыдущем 11.1 драйвере. Феном просто сдул микросхему и припаял эту.
Фото
У этой микросхемы оказался самый лучший КПД, самый низкий нагрев, самый низкий потребляемый ток, круче даже, чем у американской от Ti. НО.... разработчики микросхемы не смогли сделать хороший входной каскад..
Предыдущие две микросхемы работали от 2 до 5В меандра, и примерно от такого же напряжения синуса на входе. На выходе скважность сигнала всегда была 50%.
У этой же микросхемы при 50% входном меандре, на выходе 50% только до 400-500кГц.
500кГц, 15В, потребляемый ток 30мА
Фронты тоже отличные, 22/17нс. Но, без танцев с бубном, её рабочая частота всего до 400-500кГц. Очень досадно((.
Ну, и ради галочки, стандартные замеры.
1.7МГц, 15В, потребляемый ток 80мА (у предыдущей микросхемы 90мА), скважность 56%
3.3МГц, 15В, 141мА (у Texas Instrumets 153мА)
Сигнал отличный, фронты отличные, но на 3.3МГц скважность уже 61%. Такая скважность не годится для передатчиков.
И вот такой сигнал на 3.3МГц, если с генератора скважность сделать 40%
Ток никак не изменился. Такой сигнал уже можно подавать на выходные мосфеты передатчика. В принципе, если в передатчике будет какой-нибудь синтезатор на Si, там вроде можно программировать выходную скважность. Если выставить 40%, тогда получится отличный драйвер, с самым высоким КПД.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Среда, 2025-Май-07, 22:51 | Сообщение # 12 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 971
Статус: Offline
| Нагрев микросхемы при 3.3МГц 36 градусов (у TPS28225DR 40)
Нагрев выходных ган-ов 39/36 (у TPS28225DR 42.1/40.6)
Предельная стабильная частота 4.2-4.3МГц. Если выше, уже срабатывает защита от перекрёстного тока.
Сигналы на затворе при 3.3МГц и 50% скважности на входе:
Не смогли, в общем китайские разработчики из Richtek Tech создать хорошую входную цепь для микросхемы. А так бы, получился отличный драйвер.
Всех с Днём Радио 
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Суббота, 2025-Май-10, 16:07 | Сообщение # 13 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 971
Статус: Offline
| Цитата kotrad78 ( ) КПД всего драйвера 70%
Думаю, если заменить линейную лм-ку "нагреватель" на что-то ШИМ-импульсное, КПД ещё сильнее вырастет.
Преодолев природную лень, перерезал скальпелем дорожки, идущие к ЛМ-ке и поставил туда миллиамперметр. Результаты замеров:
Ток подписал на рисунке. Замер при 3.3МГц.
Потом вбил все данные в ИИ калькулятор:
Если линейную ЛМ-ку заменить на импульсный ШИМ стабилизатор, экономия тока драйвера составит около 18мА, а КПД всего драйвера вырастет с 70% до 82-84%. Ну... такое себе конечно)).Добавлено (2025-Май-10, 16:12)
---------------------------------------------
Если драйвер нужен для раскачки одного транзистора, то, овчинка выделки не стоит. На самодельном GaN драйвере при шим-стабилизаторе предполагаемый ток на 3.3МГц будет около 133мА. А на одной готовой микросхеме UCC27524 116мА https://radiorubka.at.ua/forum/8-316-9
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Воскресенье, 2025-Май-11, 15:59 | Сообщение # 14 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 971
Статус: Offline
| Цитата kotrad78 ( ) За основу взял микросхему полумостового драйвера Texas Instruments TPS28225DR
Появилась ещё одна идея. Для начала проверил минимальное напряжение, при котором может работать эта микросхема. По даташиту 4.5В.
От одного блока питания подал +15В на ган транзисторы.
От второго блока питания запитал TPS от 5В, затем понижал напряжение.
3.3МГц, 5В. Сигнал на затворе карбида (нагрузка всего драйвера), нарастание/спад по 17нс, потребление TPS 19-20мА. Потребление от 15В для всех напряжений не менялось, около 130мА.
3.3МГц, 4.5В. Нарастание/спад 19/18нс, потребление TPS 17мА
3.3МГц, 4В. Нарастание/спад 20/18нс, потребление TPS 14-15мА
3.6В - микросхема работать отказалась. При 3.7В надёжно запускалась.
3.3МГц, 3.7В. Нарастание/спад 21/19нс, потребление TPS 14мА
Итог.
1. При уменьшении напряжения TPS, на выходе всего драйвера снижается ВЧ звон, это видно по графикам.
2. Ожидаемо немного растёт время нарастания и спада
3. Минимальный стабильный предел 3.7В.
Для чего это нужно?
Изначально планировал для уменьшения общего потребляемого тока всего драйвера. А потом пришла новая идея. Почему бы не попробовать ган транзисторы заменить на кремниевые? Ведь каждый ган стоит по 1$.
Нашёл вот такие, Nexperia BSH103BKR средняя цена 0.12$, то есть в 10 раз дешевле ган-ов https://www.lcsc.com/product....64.html Да, они в мелком SOT-23 корпусе, но, дешёвые и спокойно могут работать в драйвере, 7 сообщение https://radiorubka.at.ua/forum/8-316-1
И теперь самое важное! У этого транзистора очень низкое пороговое напряжение, ёмкость затвора, заряд затвора, время нарастания и спада.
Для сравнения, GaN транзистор:
- заряд затвора 2нКл (у кремния 0.8)
- ёмкость затвора 83пф (у кремния 79.3)
- время нарастания/спада 5/6нс (у кремния 3/3нс)
- сопротивление канал 180мОм (у кремния 250мОм)
То есть, ган-ам для полного открытия нужно подавать +4..5В на затвор. Кремниевому BSH103BKR достаточно 1.5..2В, но, поскольку у TPS28225DR минимальный порог 3.7В, то, можно будет запитать её от 4В.
В итоге (в теории):
- КПД драйвера вырастет
- Потребляемый ток немного снизится, что актуально при батарейном питании
- цена кремниевых в 10 раз ниже ган-ов.
Так что, буду делать плату и пробовать.
|
| |
| |
| sobiratel2023 | Дата: Вторник, 2025-Май-13, 13:28 | Сообщение # 15 |
|
любопытный
Группа: Пользователи
Сообщений: 55
Статус: Offline
| RS8802HXK в качестве драйвера затворов ган транзисторов не рассматривали?
|
| |
| |
|
