如何测量全球最快的功率开关

稳压器和DC-DC电源内的硅功率器件不久将会被GaN FET代替。与硅MOSFET相比，其开关速度要快得多，且RDS(on)更低。这将能增强电源的电源效率，为大家带来益处。如果您正在设计带有GaN器件的电源电路，您需要掌握该器件的开关速度。为测量这一速度，示波器、探头和互连的速度必须足够快，以尽量减少其对测量产生的影响。

关于器件性能，我最常被问到的问题就是“它们究竟有多快?”通常我会回答是：它们非常快，但实际上我并不知道具体有多快。为探明真相，我使用33GHz实时示波器和高速传输线探头对其进行了测量。我将探讨影响器件速度的设计限制因素及其未来的发展前景。经过这些测量，我相信我们将很快能设计出开关速度达到250MHz的电源。

图1显示了用来进行测量的两个评估板。这两个评估板都配备了一个栅极稳压器、一个驱动器、一个脉冲调节器和两个eGaN开关。右侧的电路板是一个完整的DC-DC转换器，其含有一个Gen4单片半桥(两者在同一晶圆上开关)，并含有一个L-C输出滤波器。左边的评估板在半桥配置上采用了单独的Gen3 eGaN器件，没有L-C输出滤波器。在这两种情况下，外部脉冲发生器通过焊接到测试板脉宽调制(PWM)输入的BNC连接器来提供PWM信号。在输入电压为5V和12V的情况下，我在各评估板上测量了开关上升时间。

图1：这里仅在左侧的电路板上配备了半桥配置，右侧的电路板配备了完整的DC-DC转换器。香蕉插座可将测试板连接至电子负载。通过BNC连接器可连接至外部脉冲发生器。

仪器和探头要求

为确保仪器和探头不会对测量造成重大影响，我们可以假设，能够用和方根法把探头、示波器和半桥的上升时间加起来。尽管这种方法并不总是正确，但我们在最初估计中可假设这一关系成立。

测得的半桥上升时间包括示波器的上升时间和探头的上升时间，为：

半桥的实际上升时间可按照下式确定：

为了将测量误差限制到某个百分比K，仪器的上升时间可以与实际的上升时间关联起来：

对K求解，仪器上升时间与实际半桥上升时间的比值为：

因此，对于这两个例子，如果我们希望测量结果低于5%或10%，则示波器和探头的上升时间需分别低于FET上升时间的32%或46%。换句话说，仪器的上升时间应分别比FET上升时间快3.1或2.2倍。

测量开关性能

这里使用的示波器为带有Teledyne LeCroy PP066传输线探头的Keysight 90000-X系列33 GHz示波器。示波器与探头通过50 GHz Huber+Suhner Sucoflex-100电缆连接。该设置的上升时间使用20ps快沿脉冲来记录，结果如图2显示。为了确保测量有效，用于进行这些测量的示波器和探头的上升时间要比上述的最低值快得多，因此可实现“完美测量”。

图2：使用配有Huber Suhner Sucoflex 100 50GHz电缆和Teledyne Lecroy PP066传输线探头的33GHz Keysight Infiniium 90000-X示波器，测量得到的边沿脉冲上升时间约为20ps。测量结果显示，测试设置的上升时间小于27.69ps，其中包括20ps脉冲上升时间。

得到的27.69ps上升时间包括20ps的脉冲上升时间，可使用和方根法减去它来确定示波器、探头和电缆的上升时间。在减去脉冲沿的情况下，可以完全确定设备上升时间小于27.69ps，因此我们可以用其进行保守估计。

根据此前的计算，并使用仪器上升时间27.69ps的保守估计，我们可以在K%范围内测量半桥的上升时间。

测量设置能够以0.5%的精度测量276ps，以0.1%的精度测量619ps。完整的仪器设置如图3所示。