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5月19日（周二）上午10:00，第十三期“集微公開課”邀請(qǐng)到納微半導(dǎo)體中國區(qū)應(yīng)用中心高級(jí)總監(jiān)徐迎春，帶來以《納微氮化鎵功率芯片集成及應(yīng)用》為主題的精彩演講。
近三十年來，電子電力設(shè)備均采用傳統(tǒng)硅器件設(shè)計(jì)，開關(guān)頻率低，功耗大，同時(shí)需要大量手工制作的無源元件，這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)致的最終結(jié)果是，系統(tǒng)體積龐大、笨重、效率低、成本高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)電子設(shè)備每年能耗約占世界總發(fā)電量的近20%。
而在電能轉(zhuǎn)換過程中，更高的開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)更小的體積和更低的成本，因而，開關(guān)速度更快、效率更高的氮化鎵器件或?qū)⑷嫣娲鷤鹘y(tǒng)的硅器件，目前在中大功率市場(chǎng)和消費(fèi)類市場(chǎng)應(yīng)用廣泛。
作為全世界首家氮化鎵功率芯片廠商，氮化鎵快充芯片出貨以納微半導(dǎo)體（以下簡稱“納微”）為首。此次，納微以《納微氮化鎵功率芯片集成及應(yīng)用》為演講主題，對(duì)氮化鎵的技術(shù)價(jià)值、熱門應(yīng)用、對(duì)開關(guān)性能提升等多個(gè)角度進(jìn)行了闡述。此次公開課在愛集微APP在線觀看人數(shù)破萬，干貨滿滿!
氮化鎵的技術(shù)背景
在智能手機(jī)的發(fā)展歷程中，隨著手機(jī)屏幕、處理器、網(wǎng)絡(luò)、無線連接及數(shù)據(jù)存取模塊等性能提升，對(duì)手機(jī)能耗提出了新的要求，對(duì)手機(jī)的電池容量需求不斷增加，快充技術(shù)則應(yīng)運(yùn)而生。
在快充技術(shù)不斷升級(jí)的過程中，從其基礎(chǔ)材料來看，傳統(tǒng)的硅器件和氮化鎵器件的充電效率出現(xiàn)分化。與傳統(tǒng)的硅相比，氮化鎵的技術(shù)價(jià)值在于，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開關(guān)頻率，從而減少很多無源器件的體積，實(shí)現(xiàn)更高功率密度和高效率。
在商用領(lǐng)域，小米公司發(fā)布的一款65W的GaN充電器，不僅充電效率高、體積小、便攜，而且可以同時(shí)給手機(jī)和筆記本電腦充電。此外，在將近一年的時(shí)間里，Baseus聯(lián)合納微推出了多款中大功率充電器產(chǎn)品，且均已經(jīng)量產(chǎn)，而量產(chǎn)則意味著整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)范可靠性，EMI和可生產(chǎn)性也都得到充分驗(yàn)證。
氮化鎵的優(yōu)勢(shì)所在
據(jù)徐迎春介紹，氮化鎵當(dāng)前的主要優(yōu)勢(shì)，包括相同晶圓尺寸下的低Rdson；沒有反向恢復(fù)損耗；門極驅(qū)動(dòng)電荷Qg低、驅(qū)動(dòng)損耗低；寄生結(jié)電容COSS 小，容性損耗低；開關(guān)速度快等特性。
值得注意的是，氮化鎵器件在關(guān)斷的時(shí)候，也可以做反向?qū)?。其中，?duì)于 650V Navitas GaN, VSD 典型值為3.5V，且反向?qū)]有 Qrr 損耗。
氮化鎵的集成IC簡介
談及功率氮化鎵的技術(shù)，首先需要了解的是氮化鎵物理材料的特性，其高壓、高頻、耐溫等層面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于硅的特性。材料做成氮化鎵器件后，在市場(chǎng)上可以分為兩類，主流是eMode FET，（增強(qiáng)型），還有一類是dMode FET（耗盡型）。
關(guān)于增強(qiáng)型和耗盡型這兩類氮化鎵器件的優(yōu)缺點(diǎn)，主要從開關(guān)頻率、晶圓封裝及dV/dt控制等多個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比。
徐迎春表示，納微在全世界推出首款功率芯片，就是將門級(jí)驅(qū)動(dòng)和邏輯電路進(jìn)行專業(yè)的設(shè)計(jì)，并與氮化鎵芯片結(jié)合在一起，從而可以提供高達(dá)40MHz開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)5倍以上功率密度，與硅驅(qū)動(dòng)的GaN功率IC相比，因其結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)成本可降低20％。
同時(shí)，徐迎春強(qiáng)調(diào)，從實(shí)際應(yīng)用的電路來看，納微的多款GaN功率IC產(chǎn)品已經(jīng)陸續(xù)在2018年第一季度量產(chǎn)，客戶端也從下半年開始進(jìn)入應(yīng)用。
此外，納微GaN功率IC的集成驅(qū)動(dòng)特色，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)多個(gè)方面：
不僅如此，納微除了單芯片GaN功率IC，還推出了半橋式GaN功率IC系列產(chǎn)品，兩個(gè)GaN功率FET，兩個(gè)GaN驅(qū)動(dòng)器，信號(hào)及供電自舉線路等，半橋 GaN功率IC基本上可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、無過沖的信號(hào)輸出。
氮化鎵對(duì)開關(guān)電源性能的提升
氮化鎵對(duì)開關(guān)電源性能的提升，最關(guān)鍵的是，GaN可以大幅度降低開關(guān)過程的損耗。
徐迎春介紹，從同等的硅和氮化鎵來比較，開通過程中，開通損耗是硅的六分之一，關(guān)斷損耗則是二十分之一。這也就意味著，開關(guān)頻率的上升，實(shí)際上的開關(guān)損耗則極大地降低。但是，如果開關(guān)頻率非常高，開通損耗則不能忽略，還需要加一個(gè)軟開關(guān)。
與此同時(shí)，針對(duì)氮化鎵和硅在低頻、高頻等不同層面的特性對(duì)比，可以得出氮化鎵適合高頻軟開關(guān)應(yīng)用的結(jié)論。
氮化鎵高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)
關(guān)于氮化鎵高頻開關(guān)電源在設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)，主要圍繞變壓器和EMI兩大部分來闡述。
對(duì)于高頻變壓器，首先線材選取，基于嚴(yán)重的趨附和臨近效應(yīng)，200k以上線圈最好用0.05-0.08mm的利茲線；其次是磁芯耗損，主要影響因素包括電流波形、占空比、磁通直流偏置等，對(duì)磁芯耗損的影響均較大。
從當(dāng)前的市場(chǎng)現(xiàn)狀來看，各家磁芯公司都推出了高頻磁芯?！拔覀兿Ｍ⒁粋€(gè)更好的生態(tài)，不論利茲線還是磁芯，可以進(jìn)行供應(yīng)商資源的共享?！?徐迎春表示。
最后來探討氮化鎵高頻電源EMI的相關(guān)注意事項(xiàng)，主要是開關(guān)速度和頻率及振鈴對(duì)噪音源的影響。此外，高dv/dt, di/dt使空間耦合加重，從而對(duì)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求更高。
為了解決上述問題，納微提出的EMI對(duì)策是，高頻使的差模轉(zhuǎn)折頻率升高，需要的差模電感反而可減?。还材Ｖ饕孔儔浩鞴材ｋ娏鲗?duì)消技術(shù)。
舉例來看，從原邊開關(guān)波形Vds噪聲源可知，共模電流從原邊到副邊通過原副邊寄生電容耦合，原副邊繞組越貼近，耦合越好，寄生電容越大，產(chǎn)生的EMI就越嚴(yán)重。其中，共模電流對(duì)消運(yùn)用到屏蔽和平衡原理，結(jié)合輔助繞組、屏蔽層等，其圈數(shù)和線寬取決于暫態(tài)電壓跳變的分布和絕緣層的厚度等系統(tǒng)參數(shù)，可以通過細(xì)調(diào)達(dá)到最優(yōu)值。
公開課預(yù)告：
集微直播間自開創(chuàng)以來獲得了大量來自行業(yè)的關(guān)注與好評(píng)。5月20日（周三）上午10點(diǎn)，集微公開課第十四期邀請(qǐng)有方科技產(chǎn)品行銷總監(jiān)方榮，帶來以《有物聯(lián) 方智能，Cat.1 迎來新機(jī)遇 創(chuàng)造新價(jià)值》為主題的精彩演講。Cat.1對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的貢獻(xiàn)有多大？有方科技將會(huì)帶來真實(shí)案例為您分析。
5月20日（周三）上午10:00，“集微公開課”第十四期將在愛集微APP平臺(tái)、新浪微博、B站、百度、西瓜五大直播平臺(tái)開播，更多干貨和精彩內(nèi)容不容錯(cuò)過哦！
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（校對(duì)/Jurnan）
