GaN使充電器設(shè)計(jì)發(fā)生革命

氮化鎵（GaN）開關(guān)技術(shù)使充電器和適配器的小型化取得了重大進(jìn)展。

GaN晶體管的開關(guān)效率很高。這允許開發(fā)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以以比使用等效硅器件的電路更高的開關(guān)頻率工作，從而有可能減小變壓器尺寸，或者提供可以顯著提高系統(tǒng)效率，減少或消除散熱器需求的解決方案。

通過使用基于GaN的晶體管和IC，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)能夠提供小型充電器（通常還包含USB PD接口和快速充電協(xié)議），這些充電器可以顯著增加在給定尺寸下可以提供的電量。用于驅(qū)動(dòng)世界各個(gè)角落的各種個(gè)人便攜式設(shè)備。

Power Integrations一直處于GaN革命的最前沿，為主要客戶提供批量的完整電源解決方案。本文探討了GaN器件的功能，并討論了解決該技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)的策略。

GaN有多好？電源架構(gòu)
的變化十年前，1立方英寸的充電器成為低功率反激式充電器的標(biāo)志性足跡。該技術(shù)將尺寸范圍推到了效率極限所允許的范圍，這是當(dāng)時(shí)可用的技術(shù)可以達(dá)到的最佳效果。在任何反激式設(shè)計(jì)中，功率開關(guān)都是造成功率損耗的最大原因，功率損耗是在每次開關(guān)轉(zhuǎn)換和導(dǎo)通期間消耗功率的。開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗成反比。隨著開關(guān)管芯面積的增加以減小R_DS（ON）（傳導(dǎo)損耗），開關(guān)損耗也隨之增加。

不同的硅晶體管技術(shù)-超結(jié)，垂直和橫向-都在競(jìng)爭(zhēng)以減少器件的總損耗。GaN通過從根本上減少開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，極大地提高了充電器和適配器的開關(guān)效率。圖1顯示了說明這種性能變化的技術(shù)之間的比較。GaN器件本質(zhì)上是堅(jiān)固的，GaN開關(guān)中不會(huì)發(fā)生常規(guī)MOSFET中出現(xiàn)的雪崩擊穿現(xiàn)象，因此使其非常適合在市電電壓較高的區(qū)域進(jìn)行離線功率轉(zhuǎn)換?？赡軙?huì)有很大差異。

由于引入了GaN開關(guān)而引起的開關(guān)效率變化也極大地降低了熱挑戰(zhàn)，從而導(dǎo)致了充電器的進(jìn)一步小型化。這些變化的摘要如圖2所示，該圖比較了傳統(tǒng)適配器和以前的高效適配器與Power Integrations的InnoSwitch AC-DC轉(zhuǎn)換器IC（包括使用GaN電源開關(guān)的最新系列成員）供電的適配器的性能。

GaN開關(guān)效率的階梯式變化于2018年首次出現(xiàn)在充電器和適配器中，并導(dǎo)致充電器/適配器的占位面積和體積比大大降低，與圖2中所述的體積和比例非常接近。圖3顯示了最新的GaN充電器與具有開創(chuàng)性的2008年設(shè)計(jì)和采用最佳可用硅開關(guān)技術(shù)的高性能設(shè)計(jì)相比，它采用了Power Integrations的PowiGaN GaN晶體管技術(shù)。

解決GaN的挑戰(zhàn)
GaN器件改變了功率密度的思想。最成功的電源設(shè)計(jì)利用提高的開關(guān)效率來減小轉(zhuǎn)換器的尺寸。驅(qū)動(dòng)GaN器件給設(shè)計(jì)人員帶來了挑戰(zhàn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中必須克服這些挑戰(zhàn)。GaN器件轉(zhuǎn)換非常快。柵極和源極連接之間的寄生電容以及通常在柵極阱和漏極襯底之間看到的柵極-漏極電容（米勒電容）很?。s為幾nC），這確保了非?？斓拈_關(guān)轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致低開關(guān)損耗。

為了在避免錯(cuò)誤觸發(fā)的同時(shí)關(guān)閉GaN器件，分立的電流檢測(cè)電路插入了一個(gè)串聯(lián)阻抗，該阻抗接近（有時(shí)在某些情況下會(huì)超過?。〨aN開關(guān)的導(dǎo)通電阻。大電阻對(duì)于確保準(zhǔn)確的短路檢測(cè)和保護(hù)電路的快速環(huán)路響應(yīng)是必不可少的。在追求最大效率的設(shè)計(jì)中，這顯然是一個(gè)缺點(diǎn)。因此，工程師正在轉(zhuǎn)向集成無損電流檢測(cè)電路，該電路將SenseFET內(nèi)置到GaN器件的結(jié)構(gòu)中。

如果不加以調(diào)節(jié)，快速開關(guān)轉(zhuǎn)換將在電路中產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲問題。跡線電感和開關(guān)電容的組合會(huì)在開關(guān)事件期間引起高頻振鈴，從而導(dǎo)致電路工作中的噪聲問題。對(duì)于GaN開關(guān)，重要的是通過良好的布局和GaN集成來減小開關(guān)環(huán)路（和次級(jí)整流器環(huán)路，在變壓器中表現(xiàn)為“額外”泄漏電感）的尺寸，從而減小寄生電感。圖5顯示了有助于GaN開關(guān)電路振鈴的電路元件。

除了控制環(huán)路電感外，還必須考慮柵極驅(qū)動(dòng)電路的尺寸，以適應(yīng)功率開關(guān)的尺寸和柵極電荷特性。需要快速的柵極躍遷來減少交叉損耗（柵極電壓和電流同時(shí)躍遷），但是要降低EMI，重要的是，該變化率受柵極電阻和驅(qū)動(dòng)源極/灌電流的組合限制。與所使用的GaN器件匹配。圖6比較了由適當(dāng)大小的柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的GaN和Si開關(guān)的躍遷速率。

在驅(qū)動(dòng)功率FET時(shí)，還需要考慮其他幾個(gè)方面，例如在啟動(dòng)過程中如何控制常開GaN結(jié)構(gòu)。將硅開關(guān)中的漏極電壓過高引起的擊穿和雪崩與GaN器件中更魯棒的參數(shù)移位現(xiàn)象進(jìn)行比較；優(yōu)化開關(guān)頻率并在變壓器尺寸與較小的熱限制體積之間進(jìn)行權(quán)衡；可編程電源轉(zhuǎn)換以及USB PD和PPS對(duì)電路效率的限制。每一篇都是獨(dú)立的文章。

GaN器件提供了機(jī)會(huì)，可以極大地改善尺寸，外觀，甚至可以改善現(xiàn)代電子設(shè)備中功率轉(zhuǎn)換器件的吸引力。好處不僅限于適配器。家電應(yīng)用受益于散熱片的移除，這消除了機(jī)械問題，從而減少了振動(dòng)和運(yùn)輸引起的故障，而計(jì)量和工業(yè)應(yīng)用則開始在暴露于線路電壓波動(dòng)的情況下利用GaN開關(guān)的堅(jiān)固性。GaN不再是新生的。僅Power Integrations就已經(jīng)在市場(chǎng)上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，僅Power Integrations就交付了數(shù)百萬個(gè)包括GaN開關(guān)的電源IC。工程師將根據(jù)技術(shù)帶來的好處，繼續(xù)創(chuàng)新并提供更好的開關(guān)解決方案，前途一片光明-GaN，