【導讀】ST發(fā)布了市場首個也是唯一的單封裝集成600 V柵極驅(qū)動器和兩個加強版氮化鎵(GaN)晶體管的MASTERGAN1。同類競品只提供一顆GaN晶體管,而ST決定增加一顆GaN,實現(xiàn)半橋配置,并允許將MASTERGAN1用于新拓撲。在設(shè)計AC-DC變換系統(tǒng)時,工程師可以將其用于LLC諧振變換器。新器件還將適用于其它常見的高能效和高端拓撲,例如,有源鉗位反激或正激變換器,還解決了更高額定功率和圖騰柱PFC的設(shè)計問題。
新器件具有高度象征意義,因為它讓GaN晶體管在大眾化的產(chǎn)品中普及變得更容易。電信設(shè)備或數(shù)據(jù)中心的電源是最早使用這些功率器件的工業(yè)應(yīng)用。現(xiàn)在有了MASTERGAN1,工程師可以設(shè)計能效更高的手機超級快充充電器、USB-PD適配器和其它電源產(chǎn)品。
為什么要在手機電源中采用GaN?
許多消費者沒有意識到一個現(xiàn)象,近年來,智能手機、平板電腦或筆記本電腦的充電器的輸出功率呈指數(shù)增長。廠商面臨一個難題,電池容量基本保持不變,或多或少與材料設(shè)計沒有取得實質(zhì)突破有關(guān),在無法擴大電池容量的情況下,移動設(shè)備只能提高充電速度。借助USB Power Delivery (USB-PD)和快充技術(shù),讓十分鐘內(nèi)充電50%成為可能,這是因為現(xiàn)在充電器在某些情況下能夠輸出高達100 W的功率。但是,為了使充電器整體尺寸接近當前常規(guī)尺寸,系統(tǒng)需要高開關(guān)頻率。
目前帶GaN晶體管的充電器并不是到處都能買到,因為設(shè)計這類產(chǎn)品還是一個巨大的挑戰(zhàn)。以一家中等規(guī)?;虼笮推髽I(yè)的一名普通工程師為例,首先他會遇到一個簡單的文化挑戰(zhàn),即如何說服經(jīng)理和高管使用GaN設(shè)計產(chǎn)品,而這通常不是一個容易的過程。因此,幫助決策者了解這項技術(shù)是必不可少的。在這名工程師的項目方案獲準后,設(shè)計GaN產(chǎn)品PCB板也絕非易事,雖然開發(fā)一塊普通的PCB通常不難。此外,部署適當?shù)陌踩Wo措施也非常重要。MASTERGAN1的重大意義在于其能夠解決所有這些問題,并使GaN技術(shù)普及到更多的應(yīng)用領(lǐng)域。
MASTERGAN1: 認識GaN
GaN的電特性
EVALMASTERGAN1
當市場開始要求小尺寸產(chǎn)品能夠處理大功率時,GaN因其固有特性而大放異彩。GaN材料本身并不新鮮。我們從90年代開始用GaN制造LED,從2000年開始在藍光激光頭中使用GaN。今天,設(shè)計者能夠在硅晶片上添加GaN薄層,制造出具有獨一無二特性的晶體管。GaN的帶隙為3.39 eV,遠高于硅(1.1 eV)和碳化硅(2.86 eV),因此,臨界場強也比后者高出許多,這意味著在高頻開關(guān)時GaN的能效更高。
高帶隙是支撐這些特性的根基,高帶隙的根源是GaN的分子結(jié)構(gòu)。鎵本身是一個導電性非常差的導體。但是,當?shù)哟騺y鎵晶格時,結(jié)構(gòu)電子遷移率大幅提高(1,700 cm2/Vs),因此,電子的運動速率更高,而能量損耗更低。因此,當開關(guān)頻率高于200 kHz時,使用GaN的應(yīng)用的能效更高。GaN可以使系統(tǒng)更小巧,更經(jīng)濟劃算。
EVALMASTERGAN:眼見為實
盡管工程師掌握了所有這些理論知識,仍可能很難說服決策者。雖然GaN晶體管并不是什么新鮮事物,但在量產(chǎn)電源中使用它仍然是特立獨行。用EVALMASTERGAN1板展示GaN和MASTERGAN1的功能簡單很多。演示一個實物平臺會使項目方案變得更切實可行,并能看到單封裝放在電源中是什么樣子,甚至還可以按照自己的需求靈活修改板子,添加一個低邊分壓電阻或一個外部自舉二極管,使其更接近最終設(shè)計。演示支持各種電源電壓也變得更加容易。此外,還可以使用MASTERGAN1的所有引腳,幫助開發(fā)人員及早測試應(yīng)用設(shè)計。
MASTERGAN1: 用GaN設(shè)計
降低設(shè)計復雜度
MASTERGAN1
從概念驗證到定制設(shè)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,高頻開關(guān)應(yīng)用設(shè)計難度很大。如果PCB上走線太長,會引發(fā)寄生電感的問題。對于半橋電源變換器,集成兩個GaN晶體管很重要,而大多數(shù)競品僅提供一個GaN晶體管。MASTERGAN1之所以獨一無二,是因為它是當今唯一集成兩個GaN晶體管的電源解決方案。因此,工程師不必處理與這類應(yīng)用相關(guān)的復雜的驅(qū)動問題。同樣,特殊的GaN技術(shù)和優(yōu)化的柵極驅(qū)動器使系統(tǒng)不需要負電壓電源。MASTERGAN1還具有兼容20 V信號的輸入引腳。因此,工程師可以將其與現(xiàn)有和即將推出的各種控制器配合使用。
工程師還必須著手解決尺寸限制這一重要問題。手機充電器必須保持小巧的設(shè)計。因此,MASTERGAN1封裝的尺寸僅為9 mm x 9 mm,這是一個很大的優(yōu)勢。此外,該系列今后幾個月還計劃推出引腳兼容的新產(chǎn)品。因此,更換MASTERGAN家族產(chǎn)品將更加容易,使用基于MASTERGAN1的PCB開發(fā)新設(shè)計將會更加簡單。最后,能夠更快地設(shè)計出更小的PCB可以節(jié)省大量成本。隨著制造商力爭開發(fā)更經(jīng)濟的解決方案,MASTERGAN1有助于使設(shè)計變得更經(jīng)濟劃算,這也是為什么我們已經(jīng)贏得客戶訂單的原因。
提高可靠性
設(shè)計可靠性是工程師面臨的另一個重大挑戰(zhàn)。一個爆炸的充電器會成為社交媒體的眾矢之的??煽啃圆桓叩南到y(tǒng)會對客戶服務(wù)運營造成重大壓力。但是,部署安全功能遠不是那么簡單。在采用GaN半橋拓撲時,必須避免兩個開關(guān)管同時導通。因此,MASTERGAN1集成了互鎖功能和精確匹配的傳輸延遲,以及差分導通和關(guān)斷柵極電流。這些功能可以實現(xiàn)精確、高效的開關(guān)操作。最后,我們?yōu)榧訌姲鍳aN FET管設(shè)計了MASTERGAN1柵極驅(qū)動器,從而提高了系統(tǒng)性能和可靠性。
針對GaN FET優(yōu)化的欠壓鎖定(UVLO)保護可防止在低電源電壓下工作時能效嚴重降低和潛在問題。同樣,集成的熱關(guān)斷功能可防止器件過熱。柵極驅(qū)動器的電平轉(zhuǎn)換器和高效輸入緩沖功能給GaN柵極驅(qū)動器帶來非常好的魯棒性和抗噪性。最后,關(guān)閉引腳允許通過MCU的專用引腳將功率開關(guān)設(shè)為空閑模式。
推薦閱讀: