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硅基氮化鎵IC是如何製成的?重新定義電源轉換

2020年11月19日 14:57 次閲讀

分立式氮化鎵(GaN)晶體管已投入生產十多年了,目前這項技術已成熟了很多。事實證明,GaN器件比硅功率MOSFET器件具有更高的性能和更低的成本。但是,GaN晶體管現在的優勢還僅在於器件本身,未來則可以通過將多個GaN器件集成到單個芯片上,構建完整的電源系統,而發揮更大的優勢。

ASPENCORE第三屆“全球CEO峯會”於2020年11月5日在深圳召開。本屆大會邀請到EPC公司首席執行官AlexLidow,為我們帶來了“RedefiningPowerConversionwithGalliumNitrideIntegratedCircuits”(用GaNIC重新定義電源轉換)的主題演講。下面是他所分享的四個方面:GaN發展的歷史背景及其背後的推動力、目前最先進的技術、製造IC的實際方法及其最先進的技術和優勢,以及展望未來數年內GaN技術帶來的變化。

他表示,氮化鎵器件最先被採用的地方,是需要採用快速開關器件的地方,以及基站的包絡跟蹤,和用於全自動駕駛汽車的激光雷達(但最初只支持三維製圖功能)。

GaN性能還有300倍提升空間

圖1給出了EPCGaN(eGaN)器件的導通電阻擊穿電壓的關係。黑色對角線是功率MOSFET的理論極限值,藍色對角線是氮化鎵器件的理論極限值,紫色圓點顯示宜普電源轉換公司的前一代器件的性能,綠星代表目前最先進的器件的性能,但與理論極限值還相差300倍。因此,可以預期,未來數年內GaN器件的性能將會迅猛發展並越來越接近藍色對角線,並且其小型化的理論極限比硅器件要小6000倍!

圖1:eGaN器件的導通電阻與擊穿電壓的關係

圖2顯示了400V以下的最先進的器件,藍色橢圓形之內是目前實際投入量產並已經發貨的產品。綠色橢圓形內的產品則在2020年第四季度至2021年第一季度之間開發,包括30V~350V的器件且導通電阻範圍在數mΩ至數十mΩ之間。

圖2:EPC第五代400V以下GaN器件

硅基氮化鎵IC是如何製成的?

大約六年前,EPC開始開發第一階段的IC,最開始是隻製造分立式功率器件。如圖3(一半)所示,器件的源極、漏極和柵極都在同一表面上。氮化鎵層是在標準硅晶圓的頂部生成,可以在標準硅晶圓廠生產。

圖3:GaN集成第一階段

氮化鎵器件採用橫向設計,所有端子都在同一表面上,並且是半絕緣的,因此可將兩個功率器件放在同一塊襯底上而不相互影響。把半橋的兩個功率器件放到同一裸片的兩側上,就形成半橋IC。

圖4是單片式半橋器件,最早的一批於2014年9月推出,最明顯的優勢是節省了大量空間,此外,還有一個不太明顯但卻非常重要的優勢是,它可以大大降低功率環路電感

圖4:單片式半橋器件

圖5給出了降壓轉換器效率與輸出電流的關係——轉換器的輸入電壓為12V、輸出電壓為1.2V、工作頻率高達1MHz。藍色線代表兩個分立式氮化鎵晶體管採用硅驅動器驅動,而PCB採用了高效的佈局設計。綠色線代表氮化鎵半橋器件,其中的兩個晶體管具有相同的電阻。但是,當將兩個器件集成在一起時,效率高很多。主要的原因有兩個:首先是功率環路電感從大約400pH減至大約200pH,當器件的工作頻率達到MHz時,效率就不同;第二是對於非對稱降壓轉換器,高側器件或控制器的運行温度往往比低側器件高。如果將它們放在同一個芯片上,實際上就可以平衡熱量,整體的效果就更好。

圖5:降壓轉換器效率與輸出電流的關係

圖6顯示了功率器件IC第二階段的發展。對於氮化鎵器件,柵極和漏極之間的距離,很大程度上決定了器件可以承受的電壓,通過縮短距離可以製造出更小型化的器件。實際上,在同一芯片放置低壓邏輯/模擬器件和大功率高壓器件非常簡單。

圖6:GaN集成第二階段

圖7是飛行時間(ToF)IC的最新範例。左邊是輸入邏輯,右邊是MOSFET的驅動器。這個器件在接收邏輯信號後產生非常大的電流和極短的脈衝,從而在飛行時間應用中發射激光。這個例子很好地説明了如何將驅動器和MOSFET集成在同一個芯片上而生成非常強大且快速的IC,而可以採用常規的邏輯門來驅動。

圖7:ToFIC範例

圖8所顯示的粉紅色線代表器件的漏極電流,這個脈衝大小為10A,寬度約為1.94ns,上升沿時間為380ps,下降沿時間為525ps。這個器件採用2.1V邏輯信號驅動(以綠色線表示),輸入信號到輸出之間大約只有1ns的延遲。它可以在100MHz的脈衝頻率下工作。

圖8:ToFIC性能

GaNIC發展到第三階段,可以將低壓模擬/數字器件與高壓功率器件集成在同一芯片上;除了低側功率器件以外,還可以將高側器件集成進來;還可以將低壓模擬/數字器件放到高側;然後還可以在其上再集成晶體管而實現電平轉換。這樣就可以得到單片式功率級。

圖9:GaN集成第三階段

從圖10的框圖可以看到單片功率級的所有功能。從右邊可以看到兩個功率MOSFET構成半橋,並各自配備驅動器。高側進行了電平轉換。頂部是同步自舉電路,用來產生高側所需的柵極電壓。然後這裏面有多個輸入邏輯、欠壓鎖定電路並且將高低側輸入信號接地。因此,簡單的數字邏輯信號可以為半橋高低側供電。這就構成了非常簡單的斷電邏輯。芯片的尺寸為10mm2,從2020年3月開始投產。它比等效分立器件小35%,如果放置所有分立器件在PCB上,佈局就會變得非常擁擠。這種方案與採用分立器件的方案相比元器件數量減少一半。由於包含了輸入邏輯和功率輸出,因此所需的設計時間要少得多。而且其效率也比預期的要高得多!

圖10:集成式功率級框圖

圖11展示了48V/12V降壓轉換器採用分立器件和單片式器件在1MHz和2.5MHz工作頻率時的效率對比,綠線代表單片功率級,藍線代表分立式方案——其中分立式方案中所採用的MOSFET的特性與單片IC相同,並且是置於非常高效的佈局中,分立驅動器IC也是放置在非常靠近MOSFET的位置。由此可知,單片集成電路的性能明顯優於分立器件。

圖11:集成式GaN與分立式方案(及MOSFET)對比

原因有3個:

首先,單片式半橋器件降低了功率環路電感。

其次,在同一芯片上將驅動器放在MOSFET的旁邊,從而消除了柵極環路電感。

第三,將所有器件放在一起後,形成了一個熱導管,這樣就可以平衡所有器件的温度,因此平均來説,淨温升可以更低。

另外用最好的傳統功率MOSFET(用黑色X表示)與之對比,可以發現前者的效率是91%,比單片集成電路的效率低出5%,並且尺寸大很多。這意味着功率損耗降低了超過50%。

圖12是雙向降壓轉換器的例子,它由兩個單片功率級組成,就是黃圈所示。這一48V/12V、300W的雙向降壓轉換器,具有96%的效率,其功率密度超高——可以放進1/16磚式轉換器。

圖12:300W雙向降壓轉換器實例

圖13是採用功率級構建的電機控制器。這款三相電機控制器的尺寸僅為45mm×55mm。其中用到三個IC(白圈圈出),優點是電機控制器可以實現高得多的開關頻率;既可以減小尺寸,又可以減輕重量。此外,它可以減少噪聲並實現更高的電機定位精度——對於機器人來説,這點非常重要,因此這種方案在無人機、機器人和電動自行車中非常流行。

圖13:500W電機驅動器實例

單片功率級的所有好處包括:

首先,它的元器件數量減少了一半,有時甚至更多。

其次,它縮短了產品從設計到推向市場的時間。過去10年,設計人員在採用分立式氮化鎵器件設計時需要花費大量時間才能把產品推向市場——必須設計出非常緊湊的佈局,必須找到與這些器件相匹配的IC,必須將邏輯信號轉換為柵極驅動信號。

現在沒有這些問題了。佈局簡單,而且驅動具有很好的邏輯輸入和功率輸出。

當然,還節省了寶貴的佔板面積,並節省了由此產生的成本——佔板面積成本隨着功率轉換產品的密度越來越高而變得昂貴。單片功率級不僅價格合理,而且還節省了元器件數量。隨着技術的進步,IC當中還會加入電流感應、死區時間控制和更多邏輯以及其他多種功能。

GaN技術發展路線圖

從圖14的頂部可以看到,現今的分立器件正處於其第五代的技術平台。而對於集成電路,則是從單片半橋器件開始發展到添加了越來越多的功能和特性,進而發展到ToFIC。2020年,EPC第5+代分立器件系列將再次提升性能。與此同時,該公司將會把其在IC方面學習到的所有知識,都應用到ePower單片式功率級IC上,而實現功率IC中最常見的各種功能。

圖14:分立式vs集成式GaN發展路線圖

未來,分立式器件還將發展到第六代技術,這時距離氮化鎵理論極限還有300倍的發展進程,而新一代的多級轉換功率級還會具備更多的功能和特性、電流檢測、死區時間控制、各種温度和檢測功能。

最後,大約四年後,還會將包含閉環在內的所有功能集成到SoC當中。這樣,用户只要給出數字邏輯輸入信號,就可以得到所規定的功率輸出。到時,隨着分立器件的集成化,以及功率密度越來越高,焊球及焊條(電流輸出引腳)設計將會越來越難。因此就必須再進一步地集成為小型的多芯片、多功能IC。在接下來的3年或4年內,分立式電源轉換晶體管將會緩慢淘汰,而設計人員在設計系統時將會採用集成電路。

GaN的發展確實還存在一些挑戰:

首先,氮化鎵還沒有P溝道器件,這使得電路設計更加困難,尤其是不可能製造出良好的CMOS電路。

其次,由於氮化鎵技術還處於萌芽期,預先設計的電路單元(circuitblock)還較少,因此市面還沒有龐大的電路單元庫。因此,大多數情況下,設計人員都需要通過自己設計電路來搭建大型系統。這就會花費更長時間,並需要通過技術迭代實現,而且這也對IC設計人員的技能提出更高要求。

第三,分立器件技術也同樣會繼續快速發展——要謹記,氮化鎵技術離其理論極限還有300倍的距離。如果IC平台不能緊隨分立技術平台的發展,目前可以從分立式晶體管獲得的性能優勢,集成電路就暫時無法實現。因此,就需要極快速地開發出工藝設計套件,從而使IC的設計功能自動化。而且,也需要實現技術迭代,才能夠滿足所需的技術發展速度。

總結

EPC的氮化鎵技術發展迅猛。其不斷推出新一代的分立器件,成為了新一代更高效、更小型化、成本更低的IC的平台。

GaNIC使產品更易於設計、更小型化、更快、更高效。而隨着氮化鎵技術的改進,IC就變得至關重要,因為我們無法再從分立式功率器件的輸入及輸出實現所需的功率密度。但是,如果將多個功率器件集成到功率IC中,則可以實現高很多的功率密度。

憑藉這些優勢,加上集成電路的成本遠低於其能夠增加的價值,隨着氮化鎵技術更趨成熟,分立器件將逐漸被淘汰。

因此,氮化鎵技術的崛起,正在重新定義電源轉換,而全新的氮化鎵集成電路則會為業界帶來最大的性能優勢。
編輯:hfy

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電友X21氮化鎵充電器

現在手機的充電速度越來越快,同時配套充電器的體積也越來越大,好在氮化鎵充電器逐漸普及,大大縮小了充電....
發表於 2020-11-09 10:48 263次閲讀
電友X21氮化鎵充電器

MAX20766EPE+ Maxim Integ...

Integrated MAX20766智能從設備IC設計用於用於搭配Maxim第七代控制器使用,實現高密度多相穩壓器。多達六個智能從設備集成電路加一個控制器集成電路,組成緊湊的同步降壓轉換器,它可以通過SMBus/PMBus™實現精確的單獨相電流和温度報告。 Maxim MAX20766智能从设备IC为过热、VX短路和所有电源UVLO故障提供多种保护电路。如果检测到故障,则该器件立即关断,并向控制器IC发送信号。 MAX20766采用16引脚FCQFN封装(具有裸露的顶部散热焊盘)。顶部散热改善...
發表於 2020-11-09 09:07 6次閲讀
MAX20766EPE+ Maxim Integ...

ICS-40730 TDKInvenSenseI...

venSense ICS-40730低噪聲麥克風是一款差分模擬輸出、底部端口式微機電系統 (MEMS) 麥克風。ICS-40730集成有MEMS麥克風元件、阻抗轉換器、差分輸出放大器和增強型射頻封裝。該款低噪聲麥克風具有高達74dBA的SNR、-32dBV差分靈敏度、-38dBV單端靈敏度、124dB SPL聲學過載點以及±2dB靈敏度容差。典型應用包括智能家居設備、智能手機、電話會議系統、安防、監控、麥克風陣列、語音控制和激活。 特性 74dBA超高SNR 灵敏度: -32dBV差分灵敏度 -38dBV单端灵敏度 ±2dB灵敏度容差 非反相信号输出 25Hz至20kHz扩展频率响应 增强的射频性能 285µA电流消耗 124dB SPL...
發表於 2020-11-09 09:07 6次閲讀
ICS-40730 TDKInvenSenseI...

MAX22025AWA+ Maxim Integ...

Integrated MAX2202x/F隔離式RS-485/RS-422收發器可在器件的電纜側(RS-485/RS-422驅動器/接收器側)和UART側之間提供3.5kVRMS數字電流隔離。當兩個端口之間存在較大的接地電位差時,隔離通過中斷接地環路來改善通信,並降低噪聲。這些器件允許高達0.5Mbps或16Mbps的穩健通信。 MAX2202x/F隔离式RS-485/RS-422收发器具有Maxim专有的AutoDirection控制功能,因此非常适合用于隔离式RS-485端口等应用,其中驱动器输入与驱动器使能信号搭配使用以驱动差分总线。 MAX22025、MAX22027、MAX22025F和MAX22027F具有较低压&#...
發表於 2020-11-09 09:07 12次閲讀
MAX22025AWA+ Maxim Integ...

ICS-40212 TDKInvenSenseI...

venSense ICS-40212模擬麥克風是一款微機電系統 (MEMS) 麥克風,具有極高動態範圍和低功耗常開模式。該麥克風包含MEMS麥克風元件、阻抗轉換器和輸出放大器。ICS-40212在電源電壓低於2V且工作電流為55μA時,採用低功耗工作模式。 ICS-40212麦克风具有128dB声压级 (SPL) 声学过载点(高性能模式下)、±1dB的严密灵敏度容差以及35Hz至20kHz扩展频率响应。该麦克风采用底部端口表面贴装封装,尺寸为3.5mm x 2.65mm x 0.98mm。典型应用包括智能手机、照相机和摄像机...
發表於 2020-11-09 09:07 9次閲讀
ICS-40212 TDKInvenSenseI...

華為麒麟9000是一款怎樣的芯片?

其次,麒麟9000內部集成了很多核心元件,包括GPU、NPU和5G基帶等等,而且它的晶體管數量超過了....
發表於 2020-11-06 15:53 1749次閲讀
華為麒麟9000是一款怎樣的芯片?

iPhone 12 mini開始接受預定?

今天,蘋果開始接受iPhone 12 mini的預定,又一波浪潮開始了。其實這幾天我們已經發現,就是....
發表於 2020-11-06 15:38 617次閲讀
iPhone 12 mini開始接受預定?

ICS-40638 TDKInvenSenseI...

venSense ICS-40638高聲學過載點 (AOP) 模擬MEMS麥克風(帶差分輸出)具有極高的動態範圍,工作温度高達105°C。ICS-40638包括一個MEMS麥克風元件、一個阻抗轉換器和一個差分輸出放大器。該麥克風具有138dB聲壓級 (SPL) 聲學過載點、±1dB小靈敏度容差以及對輻射和傳導射頻干擾的增強抗擾度。該系列具有35Hz至20kHz擴展頻率響應,採用緊湊型3.50mm × 2.65mm × 0.98 mm底部端口表面貼裝封裝。TDK InvenSense ICS-40638 AOP模擬MEMS麥克風應用包括汽車、相機和攝像機以及物聯網 (IoT) 設備。 特性 差分非反向模拟输出 灵敏度:-43dBV(差分) 灵敏度容差:±1dB 35Hz至20kHz扩展频率响应 增强的射频抗扰度 PSRR:−81dB 3.50...
發表於 2020-11-06 09:07 24次閲讀
ICS-40638 TDKInvenSenseI...

DK-42688-P TDKInvenSense...

venSense DK-42688-P評估板是用於ICM-42688-P高性能6軸運動傳感器的全面開發平台。該評估板設有用於編程和調試的板載嵌入式調試器和用於主機接口的USB連接器,可支持軟件調試和傳感器數據記錄。DK-42688-P平台設計採用Microchip G55 MCU,可用於快速評估和開發基於ICM-42688-P的解決方案。TDK InvenSense DK-42688-P評估板配有必要的軟件,包括基於GUI的開發工具InvenSense Motion Link,以及用於ICM-42688-P的嵌入式運動驅動器。 特性 用于ICM-42688-P 6轴运动传感器 带512KB闪存的Microchip G55 MCU 用于编程和调试的板载嵌入式调试器 用于主机接口的USB连接器 通过USB连接的电路板电源 ...
發表於 2020-11-06 09:07 20次閲讀
DK-42688-P TDKInvenSense...

STM32L4P5AGI6 STMicroele...

oelectronics STM32L4P5/STM32L4Q5 32位微控制器 (MCU) 不僅擴展了超低功耗產品組合,還提高了產品性能,採用Arm® 樹皮-M4內核(具有DSP和浮點單元 (FPU),頻率為120MHz)。STM32L4P5產品組合具有512KB至1MB閃存,採用48-169引腳封裝。STM32L4Q5具有1MB閃存,提供額外加密加速器引擎(AES、HASH和PKA)。 特性 超低功率,灵活功率控制 电源:1.71V至3.6V 温度范围:-40°C至85°C或-40°C至125°C 批量采集模式(BAM) VBAT模块中150nA:为RTC和32x32位储备寄存器供电 关断模式下,22nA(5个唤醒引脚ʌ...
發表於 2020-11-06 09:07 34次閲讀
STM32L4P5AGI6 STMicroele...

ICS-52000 TDKInvenSenseI...

venSense ICS‐52000是一款低噪聲數字TDM輸出底部端口麥克風,採用4mm × 3mm × 1mm小尺寸表面貼裝封裝。  該器件由MEMS傳感器、信號調理、模數轉換器、抽取和抗混疊濾波器、電源管理以及行業標準的24位TDM接口組成。 藉助TDM接口,包括多達16個ICS‐52000麥克風的陣列可直接連接諸如DSP和微控制器等數字處理器,無需在系統中採用音頻編解碼器。 陣列中的所有麥克風都同步對其聲信號進行採樣,從而實現精確的陣列處理。 ICS‐52000具有65dBA的高SNR和寬帶頻率響應。 靈敏度容差為±1dB,可實現無需進行系統校準的高性能麥克風陣列。 ICS-52000具有兩種電源狀態:正常運行和待機模式。 該麥克風具有軟取消靜音功能,可防止上電時發出聲音。 從ICS-52000開始輸出數據時開始,音量將在256WS時鐘週期內上升到滿量程輸出電平。 採樣率為48kHz,該取消靜音序列大約需要5.3ms。 The ICS‐52000 features a high SNR of 65dBA and a wideband frequency response. The sensitivity tolerance is ±1dB enabling high‐performance micropho...
發表於 2020-11-05 17:07 18次閲讀
ICS-52000 TDKInvenSenseI...

氮化鎵GaN技術促進電源管理的發展

當你駕駛着行駛在馬路上,電動車充電設備的充電效率可以達到你目前所用充電效率的兩倍;僅有一半大小的電機驅動比目前...
發表於 2020-11-03 08:59 0次閲讀
氮化鎵GaN技術促進電源管理的發展

集成MOSFET的Buck電源的Demo板解析

     嗨嘍,各位工程師們我們今天説點啥呢?無意間發現發現一塊集成MOSFET的Buck電源的D...
發表於 2020-11-02 07:40 0次閲讀
集成MOSFET的Buck電源的Demo板解析

為什麼使晶體管的頻率特性拓展至極大,需要將發射極電流設定在很大的值

畫線的第一句話看不太懂。。。
發表於 2020-10-31 11:21 144次閲讀
為什麼使晶體管的頻率特性拓展至極大,需要將發射極電流設定在很大的值

權衡功率密度與效率的方法

能量轉換效率是一個重要的指標,各製造商摩拳擦掌希望在95%的基礎上再有所提升。為了實現這一提升,開始逐漸採用越來越...
發表於 2020-10-29 07:12 0次閲讀
權衡功率密度與效率的方法

如何選擇用於熱插拔的MOSFET?

當電源與其負載突然斷開時,寄生元件上的大擺動會產生巨大的尖峯,對電路上的元件造成十分不利的影響。與電池保護應用...
發表於 2020-10-29 06:54 0次閲讀
如何選擇用於熱插拔的MOSFET?