儘管筆記型電腦的設計日趨輕薄簡約,但對於使用者而言,最大的困擾是必須隨身攜帶的龐大電源轉換器卻仍然像「磚頭」一樣重。如今,在氮化鎵(GaN)技術的進展下,很快地就能在市面上看到重量與尺寸大幅縮小、充電速度更快的電源轉換器了。

納微半導體(Navitas Semiconductor)近日推出號稱全球最小的65W USB-PD電源轉換器參考設計,可用於打造體積與重量均較矽基半導體設計大幅縮小5倍的電源轉換器,以因應過去十年來筆記型電腦在更小尺寸和更輕量方面的顯著進展。

採用Navitas專利GaN功率IC設計的65W參考設計NVE028A是以主動箝位順向(ACF)拓撲結構為基礎,開關速度比典型的轉換器設計更快3-4倍、損耗降低40%,從而實現更小的尺寸和更低的成本。

這一技術基礎來自於該公司首創的AllGaN技術架構,整合了GaN功率FET以及GaN閘極驅動器——iDrive,據稱可實現高達40MHz的開關速度、更高5倍的密度以及更低20%的系統成本。

Navitas共同創辦人兼執行長Gene Sheridan介紹,AllGaN是指從功率FET、驅動器到邏輯元件都採用GaN,這為開關式電源供應器(SMPS)帶來了快速、節能以及大幅縮減尺寸、重量與成本等優勢,成功克服了傳統矽基半導體在快速開關時造成損耗而使能源效率降低的問題。

20171012_Navitas_NT31P1 圖1:AllGaN功率IC架構:從FET、驅動器到邏輯元件都採用GaN(來源:Navitas)

幾乎所有的電源供應器都採用開關電源;開關速度越快,就能實現更小的尺寸、重量與更低成本。Gene Sheridan說:「傳統上採用矽基半導體的問題在於快速開關時造成損耗,因而降低能源效率。因此,矽的開關速度(頻率)多年來持續在100KHz。幾年前興起的GaN雖然為業界帶來小尺寸、低成本與快速充電的希望,但其離散式GaN FET的成本太高,也很難快速驅動,大約僅能達到500KHz左右。」

此外,高效率的GaN功率FET雖然比矽更快20倍,也比疊接GaN更快5倍,但還需要同樣快速的驅動電路加持,然而目前供應商幾乎都供應矽基驅動器,無法有效發揮GaN的快速優勢,甚至在電路板造成延遲。

20171012_Navitas_NT31P2 圖2:Navitas的GaN功率元件採用軟開關技術,同時達到速率與效率的要求——更快100倍的速度以及更高5倍的節能效率(來源:Navitas)

Navitas目前利用AllGaN技術打造出兩款晶片,包括整合1組GaN FET (110-560mΩ)+驅動器+邏輯元件的650V單晶片GaN功率IC——NV6115,以及整合2組GaN FET (110-560mΩ)+驅動器以及1顆GaN邏輯元件的半橋GaN功率IC——NV6250,分別針對需要1種開關模式的功因校正(PFC)以及2組開關模式的電視與筆電電源供應等應用。

Navitas銷售暨行銷副總裁Stephen Oliver介紹,相較於其他GaN技術的FET閘極較脆弱或易於過充,Navitas的FET閘極與驅動器輸出同樣穩定耐用,因而能打造出高品質的系統,不至於受到外來因素干擾而導致閘極破損。此外,在驅動器和FET之間不存在任何元件,因而也不會有能量損耗或減速的問題,可順利達到5MHz的速度。

Stephen Oliver指出,當今的電源設計必須符合能效標準(歐盟CoC Tier 2、美國DoE VI等),還要考慮市場對於輕薄短小、Type-C連接與快充,以及成本等要求,為設計者帶來了諸多挑戰。為此,Navitas採用其量產的GaN功率IC,打造出目前最小的65W USB-PD電源轉換器,不僅可在滿載時達到超過94%的峰值效率,尺寸更小5倍,其低成本材料與簡單的製程,也使其較現有市場最小的矽基產品成本更低50%。

20171012_Navitas_NT31P3 圖3:基於GaN功率IC的65W USB-PD筆電電源轉換器參考設計,尺寸較現有矽基產品更小5倍

這項技術還可用於iPad、監視器以及電視與筆電以及遊戲機等電源應用。針對這個每年出貨量超過10億單位的行動與充電器市場,Gene Sheridan表示,「其中有90%都來自台灣,因此我們看好這一市場潛力。但這還只是個開始,因為所有的電源產品都可以使用我們的技術。」未來,Navitas將逐步擴展至LED、PV逆變器、資料中心以及電動車等擁有300億美元的龐大電源市場。

Navitas目前正與客戶合作,預計在年底前就能看到採用此參考設計推出的小型電源供應器產品上市。