為什么要在智能手機電源中使用氮化鎵？

前不久意法半導體發(fā)布了全新MASTERGAN1產(chǎn)品，它同時集成了半橋驅(qū)動器和兩個增強模式氮化鎵（GaN）晶體管， 類似的競爭產(chǎn)品僅僅只包含單個氮化鎵晶體管，這使得ST的MASTERGAN1在半橋拓撲應用中優(yōu)勢明顯。例如，常見的 AC-DC系統(tǒng)中 LLC諧振轉(zhuǎn)換器，有源鉗位反激或正激，圖騰柱PFC等等。

該款新器件具有極高的象征意義，因為集成度更高，設計應用更為簡便。目前業(yè)界使用此類電源器件時，主要將其用于電信設備或數(shù)據(jù)中心的電源中。如今，借助MASTERGAN1，工程師可為智能手機充電器和USB-PD適配器設計尺寸更小并且更加高效的電源。

為什么要在智能手機電源中使用氮化鎵？

近年來智能手機，平板電腦或筆記本電腦的功率呈指數(shù)增長。為了讓消費者有更好的使用體驗，制造廠商不得不增加電池容量。但是由于電池材料技術(shù)的限制，電池容量方面難有重大突破。于是發(fā)展快充技術(shù)成為了制造商的首選。借助USB Power Delivery（USB-PD）和快速充電技術(shù)，您可以在不到十分鐘的時間內(nèi)達到50％的電量。這就要求充電器在短時間內(nèi)可以輸出100W甚至更高的功率。在維持充電器尺寸不變的前提下，提高開關(guān)頻率勢在必行。 目前帶有GaN晶體管的充電器尚未普及，高設計難度首當其沖。以中型甚至大型公司的工程師為例，說服領(lǐng)導層使用新技術(shù)并非易事，所以幫助決策者理解這項技術(shù)至關(guān)重要。同時GaN晶體管印刷電路板的設計不同于普通硅管，設計一個穩(wěn)定可靠的GaN晶體管電路板也是一個重大的挑戰(zhàn)。MASTERGAN1的意義在于它能夠解決所有這些問題，讓整個設計簡便可靠。 了解氮化鎵GaN電性能

【EVALMASTERGAN1】 氮化鎵憑借其固有的特性，可在小型設備需要高功率時發(fā)揮重要作用。這種材料本身并非新鮮事物。我們從上世紀九十年代開始將其用于LED，并從21世紀起將其用于藍光閱讀器。而如今，創(chuàng)始人能在硅片上生成一層薄薄的氮化鎵，從而制造出具有獨特性能的晶體管。氮化鎵的帶隙為3.39eV，遠高于硅(1.1 eV)和碳化硅(2.86 eV)。因此，其臨界電場也要高得多，這意味著它在高頻下能提供更高的效率。 這些特性的根本原因來自于GaN的分子結(jié)構(gòu)。鎵本身是導電率低的電導體。然而，當?shù)悠茐逆壘Ц駮r，它會顯著增加結(jié)構(gòu)的電子遷移率（1700cm2/Vs），因此電子可以以更高的速度移動而損失更少。當應用在開關(guān)頻率高于200khz的場景中，使用GaN的效率更高。它可以實現(xiàn)體積更小、更具成本效益的系統(tǒng)。

EVALMASTERGAN1，眼見為實

盡管有這些理論知識，但要說服決策者可能依然困難重重。雖然GaN晶體管并不是什么新鮮事物，但是它們在大批量產(chǎn)品電源中的使用仍然是新穎的。要使GaN和MASTERGAN1的功能展示變得更加簡單，必須依靠EVALMASTERGAN1板。它是一個真實可見的物理平臺，并且展示了電源中單個封裝的外觀。用戶可以選擇添加一個低端分流器或一個外部自舉二極管，以便更好地適用于終端設計。此外，還可以訪問MASTERGAN1的所有引腳，以幫助開發(fā)人員初期調(diào)試及應用。 MASTERGAN1：用氮化鎵進行設計降低設計復雜度

【MASTERGAN1】 從概念驗證到定制設計可能會充滿挑戰(zhàn)。評估板的原理圖是一個很好的起點，但是高頻應用卻很棘手。如果PCB上的走線太長，則寄生電感會導致誤開關(guān)問題。對于半橋轉(zhuǎn)換器而言，兩個GaN晶體管是必須的，但是大多數(shù)競爭器件僅提供一個。MASTERGAN1是一款獨特的產(chǎn)品，因為它是集成兩個GaN晶體管的單芯片。所以工程師不必應對與此類應用相關(guān)的復雜性。同樣，特定的GaN技術(shù)和柵極驅(qū)動器上的優(yōu)化設計也意味著系統(tǒng)不需要負電壓關(guān)斷。MASTERGAN1還具有兼容20V信號的輸入引腳，可以適用于各種現(xiàn)有和即將推出的控制器。 工程師還必須應對關(guān)鍵的尺寸限制。智能手機充電器必須保持小型化。因此，MASTERGAN1封裝的尺寸僅為9 mm x9 mm非常具有優(yōu)勢。此外，在未來幾個月內(nèi)會陸續(xù)推出迭代產(chǎn)品，我們將使其與現(xiàn)有引腳保持兼容。這使得基于使用MASTERGAN1的PCB創(chuàng)建新設計會更加簡單。隨著制造商爭相提供更實惠的解決方案，MASTERGAN1將使設計更具性價比。這也解釋了為什么MASTERGAN1已經(jīng)獲得設計大獎。

提高可靠性

工程師面臨的另一個主要挑戰(zhàn)是可靠性。不穩(wěn)定的系統(tǒng)會嚴重影響用戶體驗甚至降低消費者對產(chǎn)品的信任度。共通是半橋拓撲中導致壞機的常見原因。為此，MASTERGAN1集成了互鎖功能，匹配的傳輸延遲以及差分導通和關(guān)斷的柵極電流，這些功能都可以幫助實現(xiàn)干凈有效的開關(guān)。最后，我們?yōu)閑-MODE GaN FET專門設計了MASTERGAN1的柵極驅(qū)動器，從而提高了性能和耐用性。 MASTERGAN1同時自帶欠壓鎖定（UVLO）保護，可防止供電不足情況下?lián)p耗增大以及一些潛在的問題。同樣OTP可防止設備過熱導致?lián)p壞。柵極驅(qū)動器的電平轉(zhuǎn)換器和有效的輸入緩沖功能使GaN的柵極驅(qū)動器非常耐用且抗噪聲。最后它還配置了專用的引腳可以將MASTERGAN1設置為空閑模式，降低損耗，提高待機效率。

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