GaN成為打造高功率密度器件的天然之選

科技的發(fā)展賦予一個產(chǎn)品更多的屬性，比如手機，其已經(jīng)不僅僅是通話的工具，更承載著影音娛樂和導航拍照等諸多功能。但在功能愈加豐富的同時，我們發(fā)現(xiàn)手機的體積并沒有跟著快速膨脹，手機充電的時間在電池容量不斷攀升的情況反而進一步縮短了。讓這些反常識事情發(fā)生的背后是電源產(chǎn)品對高功率密度的執(zhí)著追求。

在 TI（德州儀器）電源管理解決方案產(chǎn)品線經(jīng)理 Samuel Wong 看來，功率密度是電源行業(yè)五個重要指標之一，其他四個為低 EMI、低 IQ、低噪度和隔離?！拔覀冋J為，未來在這個行業(yè)里 5-10 年的趨勢不會改變，這五個指標能讓一個公司的產(chǎn)品性能繼續(xù)享有領導地位?！?/p>

高功率密度在產(chǎn)品上如何體現(xiàn)？

從產(chǎn)品層面到器件層面，一個很強的紐帶就是集成化，而集成化對于器件最直白的要求就是小型化和高效率，這也是評定功率密度高低的重要標準。我們從這個角度來剖析一下 TI 推出的升降壓電池充電器 IC——BQ25790 和 BQ25792。

這上面更多的是相同點，當然也有為數(shù)不多的差異。在共同的特性上，TI DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器副總裁 Mark Gary 介紹說：“BQ25790 和 BQ25792 提供的靈活性可為 USB Type-C 和 USB PD 應用在全輸入電壓范圍（3.6 V 至 24 V）內(nèi)為一到四節(jié)串聯(lián)電池充電，并提供高達 5 A 的充電電流?！?/p>

下面的這句介紹鮮明地體現(xiàn)了 BQ25790 和 BQ25792 的高效率，“充電器的整合雙輸入選擇器支持包括無線、USB、桶式電源插座 （barrel jack）和太陽能充電在內(nèi)的多類電源，同時提供快速充電，在 30 W 時效率可達 97%?！?Mark Gary 在介紹中提到。

上面這些是 BQ25790 和 BQ25792 的相同點，我們從兩款器件的原理框圖中其實看到了一個細小的差別，那就是 BQ25790 的框圖上多了一個 BATN（電池輸入中性線接口），我們不去追究其后面的功能，但這其實是兩款器件不同設計和封裝的一個表象。

BQ25790 采用 56-pin 的 WCSP 封裝方式，器件大小為 2.9mm × 3.3mm；BQ25792 采用 29-Pin VQFN 封裝方式，器件大小為 4mm x 4mm。

雖然封裝方式是不同的，但兩者的稱號是相同的，它們都是業(yè)界最小型升降壓電池充電器 IC。

因此，如果有人問 Samuel Wong 的觀點如何映射到產(chǎn)品層面，那么 BQ25790 和 BQ25792 高達 97%的效率與業(yè)界最小尺寸并存就是強有力的回答。

高開關(guān)頻率造就更高效率

高效率這一點是器件達到高功率密度的關(guān)鍵要素，那么如何讓一顆器件在有限的器件面積上實現(xiàn)高效率呢？提高開關(guān)頻率，使用更好的變壓器，讓器件有更高的集成度，這些都是切實有效的方式。

在介紹 TPS546D24A 這顆器件時，Mark Gary 提到，“這款產(chǎn)品開關(guān)頻率高達 1.5MHz，這樣的開關(guān)頻率可以支持非常大的電流，在非常小的面積下，提高產(chǎn)品本身的效率?！?/p>

TPS546D24A 是 TI 提供的一款針對大電流、FPGA 或處理器設計的產(chǎn)品，于今年 3 月份上市，從 Mark Gary 的介紹中能夠獲知，TPS546D24A 具有如下特性：

可堆疊的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器；

單顆產(chǎn)品可支持 40A 電流，堆疊 4 顆時可以支持最高 160A 電流；

小尺寸，5mm×7mm 平點 QFN 封裝；

外部元件少，能夠減少最多達 6 個外部的補償元件；

熱損耗更小，在同樣環(huán)境中和競品相比低 13 度；

導通電阻小，整體設計上比其他業(yè)界同款產(chǎn)品效率提高 3.5%。

因此，不管是在器件級和產(chǎn)品級，TPS546D24A 同樣也是一款高功率密度器件的代表作，這其中高開關(guān)頻率起到了重要作用。

集成是一條極具挑戰(zhàn)的“捷徑”

在前文中，我們多次提到了集成二字，產(chǎn)品的集成，器件的集成。這兩個字從字面意思上理解更像是提升功率密度的捷徑，你只需要將更多的器件放進同一個封裝就可以了。

然而，這中間有很多附帶的挑戰(zhàn)，比如集成之后單一器件的 EMI 問題。而在電源器件不斷追求高功率密度的大背景下，將更多器件集成到一個封裝里面的前提是尺寸要小，因此實現(xiàn)起來極具挑戰(zhàn)。

這方面，TI 今年 2 月份推出的 TPSM53604 是一個很好的例子。

TPSM53604 是一個 36V/4A 的電源模塊，是把現(xiàn)在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品集成了電感和其他器件在一個產(chǎn)品尺寸中，芯片尺寸為 5mm×5.5mm，采用 QFN 封裝。

Mark Gary 強調(diào)，這個產(chǎn)品的高度來自于模塊里集成的電感，這樣的設計能夠讓產(chǎn)品和整體面積縮小 30%，可以支持效率高達 95%、總面積為 85mm2 的單面布局設計。

相信大家還記得剛剛提到的三個方法中還有一個沒有案例，那就是通過升級變壓器來提高功率密度。實際上，如果你對這條路徑感興趣，TI 的 UCC12050/40 DC/DC 轉(zhuǎn)換器便是這樣的方式。這款器件在很小的芯片尺寸里面集成變壓器技術(shù)，可提供 500mW（典型值）的隔離功率，并具有較高的效率和低 EMI。

當功率密度與 GaN 邂逅

對于提高功率密度這一點，相較于更小封裝、更高集成、更高開關(guān)頻率、變壓器升級這些方式，有一種方式更為簡單粗暴，讓就是采用更新的材料。在電源領域，目前的熱門材料無疑就是 GaN（氮化鎵）。

作為模擬和功率半導體技術(shù)與封裝領域的市場領導者，TI 內(nèi)部人士表示，他們正在利用自有經(jīng)驗以及在全球范圍內(nèi)的制造基礎設施，為設計人員提供一種在熱優(yōu)化和低電感封裝中具有集成柵極驅(qū)動器和保護功能的 GaN 器件。

Mark Gary 說到：“根據(jù)我們目前對于 GaN 的了解，其目前可以達到 150V/ns 的速度，開關(guān)頻率可以高達 2MHz 甚至 10MHz 以上的速度?！?/p>

有人可能會疑惑，開關(guān)頻率并非是不假思索地提高，對于傳統(tǒng)的 Si 器件而言，這么做的話會帶來開關(guān)損耗的顯著提升，以及給散熱造成負擔。但實際上，GaN 具有零反向恢復損耗的特性，溝道導通時沒有少數(shù)載流子，開關(guān)損耗非常低。同時，GaN 的 RDS（ON）溫度系數(shù)特性更低，GaN MOSFET 的面積僅僅是 Si 的一半，這直接使電路中傳導損耗降低了 50％，進一步加強了器件的熱管理。

此外，GaN 具有較低的柵極和輸出電荷，具有更快的導通時間和轉(zhuǎn)換速率，同時減少損耗，這些都讓 GaN 成為打造高功率密度器件的天然之選。

此前，TI 進行了 900-V， 5-kW 雙向轉(zhuǎn)換器演示，該平臺沒有冷卻風扇的情況下，峰值效率可達 99.2%，功率密度比傳統(tǒng) IGBT 解決方案高 300%。

在設計方案的時候，圖騰柱功率因數(shù)校正 （PFC） 是一種使用 GaN 設計高密度功率解決方案的有效方法，也是 TI 的關(guān)注方向之一。TI 內(nèi)部人士指出：“TI GaN 正在實現(xiàn)新的拓撲結(jié)構(gòu)，如 PFC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的高頻操作等新的拓撲結(jié)構(gòu)，這是硅 MOSFET 以前無法實現(xiàn)的方面。在這些拓撲結(jié)構(gòu)中使用 GaN，設計人員可在他們的系統(tǒng)中實現(xiàn)出眾的性能水平——包括 99％的效率、高達 300％的更高功率密度，且在大多數(shù)情況下，無需強制空氣冷卻?！?/p>

后記

開關(guān)技術(shù)、變壓器、集成、封裝，擁有這些實現(xiàn)高功率密度的方法對于模擬大廠 TI 而言是理所當然的，其在模擬電源領域長期的霸主地位必然有得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢。

對于 TI 的 GaN，很多人并不熟悉，但實際上 TI 2010 開始就已經(jīng)進入研發(fā)，對此有深刻的理解認識。當業(yè)界紛紛吐槽 GaN 價格太高的時候，TI 已大力投資內(nèi)部 GaN 制造基礎設施。這些投資，再加上使用低成本的硅襯底和大容量封裝，使得 TI 能夠提供成本低于同類 SiC FET 的解決方案，且未來趨勢來看會比硅成本更低。
? ? ? 責任編輯：tzh