LMG5200开关节点的100 GHz观察仪器系统

当测定氮化镓(GaN)晶体管的皮秒量级上升时间时,即使有1GHz的观察仪器和1GHz的探针仍可能不够。准确测定GaN晶体管的上升和下降时间需要细心留意您的测量设置和设备。让我们初步了解一下使用TI最近推出的LMG5200集成式半桥GaN电源模块进行准确测量的最佳实践方法。

在订购LMG5200评估模块(EVM)之前,请确认您的试验台设备可准确测量基于GaN(美国能源部认为是 基础性 技术,可更好地利用我们的能源资源)的宽带隙(WBG)半导体产品,如LMG5200。如果您的设备看起来像此处展示的设备,那么您可能需要升级您的观察仪器和探针。

测量WBG半导体的电压转换需要具有足够测量带宽的设备。示波器带宽的特点是拥有-3dB的频率   在该频率下正弦波(显示在示波器上)的幅度已下降到输入信号的1/ 2或0.707。一般而言,如果输入信号的带宽等于观察仪器的带宽,那么示波器会有30%的振幅衰减误差。如果您在使用数字存储示波器(DSO),则采样率会强行增加其它限制条件。例如,当所有的四个通道都被占用并且奈奎斯特采样定理要求适用时,一个四通道、1Gs/秒的DSO通常仅拥有250Ms/秒的能力!作为一个经验法则,如果观察仪器的额定带宽是X,那么您能如实测量(误差在3%以内)的最大信号频率是X/3。要使误差仅为1%,您的信号带宽应该不超过X/5。

此外,示波器探针也会增加测量的误差,可将其建模成一个电阻器 电容器(RC)低通电路。更重要的是,在测量开关转换时您不是在看一个纯正弦波,那么开关节点上升和下降时间的有效带宽是多少呢?在数学上,您可以把探针的输出估值为应用的电压步骤,如方程式1所示:

Vout = Vin(1-e^t/RC)(1)

上升时间在很多时候按输出转换(其最终值的10%至90%)来表示。采用方程式1时,10%的点当时是0.1RC,90%的点是2.3RC,并且由于探针的时间常数是1/2 fRC,所以带宽的表达式可以被确定。

RC = tr/(t90% - t10%) = tr/2.2RC = 1/2 f   (2)

因此所需要的带宽可通过这样的算式计算得出:带宽 = 0.35/tr

这种关系使您能根据上升时间来评估信号的等效带宽。例如,倘若您希望自己的GaN器件在500ps的时间内打开,那么您需要一个能实现0.35/500ps(700MHz)的观察仪器   而且您还需要一个至少有那么多带宽的探针。知道您的探针和观察仪器带宽,您就可以申请一个和的平方根(RSS),以便基于本文中所述相关测量设备的统计误差来评估实际上升时间。

为了确认预期的需求,笔者评估了三种测量设置。第一种设置具有100MHz/500Ms/秒的手持式TekScope;第二种设置是500MHz/2.5Gs/秒的DPO4051;第三种设置是1GHz/5Gs/秒的MDO4104-6。经过笔者的设置,LMG5200在电流为5A时可将24V的电压转换成12V的电压。开关频率被设定为1MHz;52%的占空比很有必要,因为需补偿功率级的损失。笔者测得功率转换的效率为~96%。

为测定上升时间,笔者使用了观察仪器游标。如果想用观察仪器来计算上升时间,一定要设置采样率以采集足够数量的数据点。奈奎斯特定理要求至少有两到三个采样点,但笔者建议在上升沿要有四个或五个采样点。这表明,如果上升时间少于1ns,那么即便是5Gs/秒的采样能力仍将是微不足道的。

探针带宽同样重要;即使笔者的探针带宽为1GHz,仍会产生显著的误差。注意,在一些情况下,观察仪器具备的能力可能超过规定标准也可能低于规定标准,这取决于制造商、设置校准以及观察仪器和探针的老化程度。根据测试笔者会说,为了测量WBG开关转换,1GHz的系统带宽是绝对最低要求。

那么,笔者有什么发现呢?采用本文中描述的低电感探测技术,图1所示100MHz的观察仪器测得的上升时间为3ns  这显然是不够准确的测定值,因为当与图2所示1GHz带宽的系统的测定值相比较时,您会发现后者测得的上升时间为780ps。而500MHz的观察仪器测得的上升时间为1ns。

图1:100MHz的观察仪器系统(可测量LMG5200开关节点,同时还可在1MHz的频率下将24V的电压转换成12V的电压,上升时间等于3ns)

图2:LMG5200开关节点的100 GHz观察仪器系统(可在1MHz的频率下将24V的电压转换成12V的电压,上升时间等于780ns)

采用前面讨论的RSS方法,可计算出:780ps的测定值仍比使用更高带宽的系统的测定值慢29%。为了准确测定上升时间(误差在1%以内),需要4GHz的系统测量带宽!假如这种设备可用,那么笔者测得的780ps的上升时间本来可以是600ps   那是40V/ns的压摆率!在下一篇文章中,笔者将考察精心挑选组件和布局的重要性,以最大限度地减少与这种dv/dt相关的辐射发射。

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