1977年可以說是電子設計歷史上電源開始興起的標誌性的一年,發展到今天,電源在電子產業已經佔據舉足輕重的地位。電源一度處於嵌入式設計的邊緣,但現在卻享有非常重要的地位。數位電路設計師過去只是在PCB上留給電源設計人員一點空間(如果夠大的話),並要求提供12V電壓。現在電源的威力可大多了,不但可以讓電動車(EV)跑得更遠,而且讓手機充電速度更快,甚至可以讓電力設備經理節省兩位數的能源成本。

電源革命

1977年HEXFET問世,它是由國際整流器(IR)的Alex Lidow和Dan Kenza領導的團隊所開發。Silicon General和Unitrod也在那一年開發出了脈衝寬度調變IC(PWM IC),磁性材料也取得了突破,讓元件變得更快。曾經只在大學裡出現的新型結構突然變成了產業主流,讓開關電源成功商業化的核心技術發生在20世紀70年代後期。

功率半導體、拓撲、控制器和磁性材料的大融合為業界帶來了驚人的變化:效率提高、相應功率密度增加,同時成本直線下降。這為電子產業的大量開發鋪平了道路,為我們帶來了很多新的技術,比如諧振電源、LLC轉換器,以及英飛凌(Infineon)突破性的CoolMOS技術。

寬能隙半導體(Wide-bandgap semiconductors)代表了功率電子的第二次革命。這些新型功率半導體激發了控制器公司的新控制器和改進的拓撲結構,如90年代後期推出的主動鉗位反馳式技術。此外,最新的磁性元件可在1MHz或2MHz下工作,同樣,在這場革命中,效率提高、頻率上升,成本卻不斷下降。

20181224TA31P1 圖1 電源發展歷程。

運作更快

過去幾年來,磁性能方面取得了重大進展,而且出現了改進的材料。就拿氮化鎵(GaN)來說,兩年前人們還認為磁性不存在,為什麼還要試圖加快速度呢,但現在已經證明事實並非如此。

隨著半導體和磁性技術的快速發展,控制器也是一個需要開發的領域,需要跟上其他相關元件的快速發展。以Navitas的AllGaN技術為例,該公司採用增強模式GaN FET,並將之與驅動器整合在同一晶片上。Navitas還可以整合其他元件,如電平轉換器或ECD二極體,甚至是邏輯欠壓鎖定,使其更接近真正的GaN功率晶片。

20181224TA31P2 圖2 AllGaN功率晶片的特性。

由於這一切都發生在單晶片上,因此相對容易製造和封裝,這自然也帶來了其他系統好處。由於FET的閘極直接連接到閘極驅動器的輸出,因此驅動器輸出和閘極輸入之間的阻抗為零。這也意味著GaN作為離散元件不容易搞定,但如果能在一個盒子裡整合一個完整的解決方案,那就意味著可以小心地控制流向閘極的電壓,也可以保護閘極。

整合的方案還意味著可以在高頻工作,而不必擔心閘極阻抗會影響性能、效率和穩定性。另一個優點是整合驅動器可以提高穩健性,使用單晶片解決方案,佈局也比較靈活。

20181224TA31P3 圖3 GaN晶片整合解決方案。

開關

在高頻應用中,軟開關諧振拓撲是一種很好的方法。但在實際情況下,可能存在啟動常式,也許是突波模式(burst mode),你可以進行硬切換,要知道這一切都非常艱難,可以可靠地進行硬切換,也可以進行軟切換。

沒有閘極阻抗或電阻的離散解決方案會產生不穩定的電路。如果添加了阻抗,它會變得穩定,但也會導致很長的開關週期,因此,如果可以直接連接驅動器輸出和閘極輸入,那麼就可以快速運作並保持穩定。迴轉率(slew rate)只需要一個電阻即可搞定,因此,整合意味著一種非常可控的高性能元件。

20181224TA31P4 圖4 離散驅動器和離散FET與GaN功率晶片性能比較。

關於整合的另一個問題是ESD。標準矽MOSFET的ESD非常容易理解,PWM IC的ESD也是眾所周知;而GaN元件是離散形式的,其ESD就不是那麼容易理解。我們必須要小心,但如果要設計功率IC,那麼就要將ESD二極體放在上面,因此,這也成為透過整合使生活變得更為輕鬆的另一種方式,可以整合電平移位器,或半橋直通保護之類的東西。

在這種情況下,整合解決方案佔板面積為6×8mm,具有完整的半橋系統和自舉充電功能,以及欠壓鎖定和ESD保護特性。在頻率方面,這些元件的額定值為2MHz。關於高頻電平轉換的一個注意事項是,存在電感耦合或電容耦合的技術可以進行電平轉換,但其本質上是不同的技術。

整合的優勢

在易用性方面,相對於離散方案,具驅動器的整合方案可明顯減少零組件數量,使設計更具可預測性,而且設計速度也更快、性能更高。整合是控制和性能的關鍵,整合的解決方案可提供一個可預測的構建模組。

20181224TA31P5 圖5 離散方案與整合方案的對比。

圖6顯示一個65W電源參考設計的示例,這是一種採用軟開關型態、運作頻率約為300kHz的主動鉗位反馳式設計。對於標準反馳式或準諧振反馳式設計,緩衝網路處理反馳電壓,用第二個開關替換緩衝網路,它就變成了一個半橋,能夠將頻率提高到300kHz。

20181224TA31P6 圖6 一個65W電源參考設計示例。

主動鉗位由維吉尼亞理工大學於1996年提出,現在的控制IC不僅可以達到很高的功率密度,而且還滿足DoE六級要求和歐盟要求。該設計是具有完整USB-PD輸出的最小電源,比標準電源具有更高的複雜性和功能,在90V AC輸入的最壞情況下可以提供20V輸出,其滿負載效率超過93%。

圖7顯示使用相同拓撲的MHz設計。這實際上是由維吉尼亞理工大學CPES研究小組於2016年完成。這個1MHz的主動鉗位反馳式設計使用DSP而不是控制IC,以證明滿載的頻率和功率密度,但在過去,它不可能成為一個產業產品,因為它在輕載情況下效率不高,現在使用控制IC就可以做到這一點。

20181224TA31P7 圖7 與65W電源相同拓撲結構的MHz電源。

在高頻率時要考慮的事情之一就是EMI,可能有一個大約500kHz的臨界點,可以使用一個基於線軸的變壓器,或一個基於環形的變壓器。如果在500kHz左右使用平面變壓器,需要注意一些事情,其一是可以得到尺寸非常小的設計,這有助於提高功率密度;其二是可以獲得相同或更低成本的變壓器解決方案,因為無須經歷製作整個繞線變壓器的額外步驟。

可以在任何一方進行PCB設計。在這種設計中,在平面變壓器內部還有一些EMI遮罩層,因此它可以阻止EMI,或者從源頭消除EMI。所以在這種情況下,可以得到一個非常非常小的單面EMI濾波器,它符合所有規格。

由於這是一個使用DSP的大學研究專案,利用新的控制器和新的半橋,可以再次縮小這個設計的尺寸。

現在,在與標準的5W或7W方糖電源相同的空間內,可以做到25W。因為使用的是GaN、新的磁性材料,這是日立(Hitachi)的ML91S元件。使用新的拓撲學——以前只是在學術界,現在已經在企業界流行起來——以及可用的控制IC,再整合驅動器和MOSSFET,可以充分利用所有這些整合的元件來推動性能的進一步提升。

(參考原文: Integrated GaN devices take performance to the next level,by Alix Paultre)