【導(dǎo)讀】GaN FET可以應(yīng)用在48V電源系統(tǒng)中,但由于缺乏配合GaN FET工作的合適控制器,工程師們常利用DSP數(shù)字解決方案來實現(xiàn)其高頻和高效率設(shè)計。然而,DSP解決方案因為需要額外的IC而增加了復(fù)雜性和難度。本文介紹了一種兼容GaN FET的模擬控制器,它只需很少的器件,就可以讓設(shè)計人員像使用硅FET一樣簡單地設(shè)計同步降壓變換器,同時提供卓越的性能。
GaN FET可以應(yīng)用在48V電源系統(tǒng)中,但由于缺乏配合GaN FET工作的合適控制器,工程師們常利用DSP數(shù)字解決方案來實現(xiàn)其高頻和高效率設(shè)計。然而,DSP解決方案因為需要額外的IC而增加了復(fù)雜性和難度。本文介紹了一種兼容GaN FET的模擬控制器,它只需很少的器件,就可以讓設(shè)計人員像使用硅FET一樣簡單地設(shè)計同步降壓變換器,同時提供卓越的性能。
在電力電子領(lǐng)域,氮化鎵 (GaN) FET擁有比傳統(tǒng)硅FET更加卓越的性能。GaN FET因效率高而產(chǎn)生更少的熱量,系統(tǒng)成本也隨之大大降低。然而,商用電源制造商在應(yīng)用GaN FET進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)時仍面臨一些挑戰(zhàn),以下為客戶反饋的一些信息:
1.“GaN FET設(shè)計與硅FET設(shè)計完全不同。” (電源制造商)
2.“使用GaN需要數(shù)字控制,這讓我們望而卻步;因為設(shè)計模擬電路比較容易,成本也低,那才是我們擅長的事情?!?(電信公司)
3.“GaN FET 的到來意義重大。能夠縮小散熱器尺寸對我們來說非常重要,但問題是我們還需要一個微控制器來配合它?!?(家電廠商)
許多設(shè)計工程師已經(jīng)意識到采用GaN FET會帶來的益處,但卻一直猶豫是否將GaN引入實際設(shè)計,其主要原因還是設(shè)計的復(fù)雜性。隨著GaN FET成本的不斷降低,相對硅FET的高昂成本可以通過系統(tǒng)級設(shè)計來抵消。假如客戶真的面臨這些難題,那我們該如何幫助他們?
瑞薩電子通過在48V系統(tǒng)中使用100V GaN FET來解決這個問題。本文將闡述這種方法,并以一種截然不同的方式來解除客戶的疑慮。
自從電話設(shè)備被發(fā)明以來,電信和無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用一直采用48V直流電源供電。近年來,數(shù)據(jù)中心和高端汽車系統(tǒng)也開始采用48V電源,因為它仍然被認(rèn)為是安全的低電壓,其安全要求要低得多,但允許使用具有最小壓降的更細(xì)規(guī)格電線?,F(xiàn)在已經(jīng)有很多發(fā)布的文章都在探討快速興起的48V市場。
5G AAU(有源天線單元)的典型電源樹圖如圖1所示。系統(tǒng)的-48V輸入總線通過DC/DC轉(zhuǎn)換提供數(shù)百瓦或千瓦級的功率,將-48V電壓轉(zhuǎn)換為+28V、或+48V至+56V,并饋入大型功率放大器陣列。轉(zhuǎn)換后的正電壓還可以創(chuàng)建12V或5V總線饋送給其他系統(tǒng)負(fù)載,例如時序/時鐘、存儲器、ASIC/FPGA等(如果-48V已經(jīng)與交流電或可再生能源等主電源隔離,則無需再隔離)。顯然,隨著5G市場的快速增長,AAU和BBU(基帶單元,圖中未顯示)都需要多個不同功率級別的48V轉(zhuǎn)換,這其中蘊(yùn)含的市場潛力巨大。投入資源開發(fā)80V或100V額定電壓的GaN FET來取代傳統(tǒng)硅FET符合GaN制造商的商業(yè)利益。
在無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中采用GaN有很多潛在的益處,包括提高系統(tǒng)效率、最小化設(shè)備尺寸、降低電力成本和簡化散熱管理等。尤其對5G AAU,它甚至可以減輕系統(tǒng)重量,考慮到基站安裝越來越分散,而且有些場景安裝還比較困難,這一點尤其重要。
圖1:典型的5G AAU電源樹圖(未顯示交流電源)
電源架構(gòu)的細(xì)節(jié)取決于站點類型、覆蓋范圍、位置以及與電網(wǎng)或遠(yuǎn)程電源的距離。
宜普公司 (EPC)是業(yè)界著名的 GaN FET 公司之一,曾經(jīng)發(fā)布過48V總線電源轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(EPC9143),其中就采用了GaN FET方法(見圖 2),其整個設(shè)計都是開源的。
該參考設(shè)計基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的1/16磚尺寸轉(zhuǎn)換器,支持18V至60V輸入,并基于兩相交錯配置提供額定電流為25A的12V輸出。除了EPC GaN FET之外,該設(shè)計還使用了一個16 位數(shù)字控制器,其工作頻率為500kHz,可提供大于95%的峰值效率(該控制器具有DSP內(nèi)核和額外的模擬部分,為簡單起見,我們在文中稱其為DSP)。
圖2:帶DSP控制器的EPC9143參考設(shè)計(頂部和底部)
毫無疑問,該設(shè)計提供了相當(dāng)不錯的性能,但我們注意到它還使用了六顆其它IC,如圖2的參考設(shè)計所示。
通過多種數(shù)字電源控制器,用戶可以靈活地重新編程輸出電壓和保護(hù)閾值,還可以添加其他需要的功能。然而,對于某些48V應(yīng)用,一旦設(shè)計確定,就無需重新配置;因此其控制調(diào)制器如果以模擬方式設(shè)計,將與數(shù)字方式同樣有效。我們開始考慮是否可以將 EPC9143 中所需的 7顆IC進(jìn)行組合并替換,僅用一個模擬IC就達(dá)到類似的性能。雖然 DSP解決方案幾乎實現(xiàn)了GaN FET設(shè)計的最大潛力,其效率遠(yuǎn)高于硅FET。但通過更簡單的BOM實現(xiàn)相同的目標(biāo),將為客戶提供更高的功率密度和更低的解決方案成本,這與效率同樣重要。
在精簡產(chǎn)品定義、IC設(shè)計和全面驗證工作之后,瑞薩電子開發(fā)出了一款80V雙同步降壓控制器,專門優(yōu)化以驅(qū)動增強(qiáng)模式GaN FET,即ISL81806(參見圖3)。
圖3:80V雙輸出/兩相GaN FET控制器ISL81806
ISL81806 采用兩相交錯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),最多可并聯(lián)成六個交錯相位,可以承受千瓦級的負(fù)載,而無需外部數(shù)字控制來分配相位。
其它特性還包括:
●寬輸入電壓范圍:4.5V至80V,適合電信設(shè)備應(yīng)用
●寬輸出電壓范圍:0.8V至76V
●支持恒壓或恒流輸出
●寬開關(guān)頻率范圍:100Khz至2MHz
●輕載或強(qiáng)制PWM模式下的二極管仿真和突發(fā)模式
●直通保護(hù)、OCP、OVP、OTP、UVP
●每個輸出的獨立使能(EN)和軟啟動
●針對增強(qiáng)型GaN FET進(jìn)行優(yōu)化的柵極驅(qū)動和死區(qū)時間
EPC和瑞薩電子開發(fā)了一個新型參考設(shè)計板EPC9157(參見圖 4)。與圖2中的 DSP解決方案相同,它采用了兩相交錯拓?fù)浜?/16磚尺寸模塊外形設(shè)計。該參考設(shè)計板的額定輸入電壓、輸出電流和500kHz頻率也與DSP解決方案相同。(截至本文發(fā)布之時,該板的額定輸入電壓為80V)。
圖4:使用ISL81806和四個GaN FET的EPC9157 參考設(shè)計板(僅提供模擬控制)
DSP EVB和模擬EVB的效率比較如圖5所示,其效率在峰值功率下非常接近。模擬EVB 具有更好的輕載效率,部分原因是單個模擬控制器消耗的工作電流 (50μA) 比DSP解決方案所需的七個組合IC要少,而且它可以直接使用12V輸出作為IC電源的外部偏置。
圖5:效率比較(左:使用DSP的EPC9143;右:使用ISL81806的EPC9157)
圖6顯示了數(shù)字和模擬解決方案之間的主要BOM差異(其中省略了無源組件)。很明顯,模擬解決方案電路BOM非常簡單,它只需一個IC,不需要任何編程。
圖6: BOM比較
盡管ISL81806已經(jīng)提供了卓越的效率、解決方案尺寸和BOM成本,但未來仍有很多改進(jìn)的空間。正如GaN FET技術(shù)在過去幾年中迅猛發(fā)展一樣,瑞薩電子正致力于定義和設(shè)計匹配的控制器,其設(shè)計團(tuán)隊也面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
●未來的發(fā)展方向可能包括(但不限于):
提高擊穿電壓
100V擊穿電壓可能更適合遠(yuǎn)程AAU以及板裝磚式電源模塊,尤其適用于具有長電纜的電信設(shè)備,可以使其更加堅固。
●更強(qiáng)大的分離式柵極驅(qū)動
實現(xiàn)更高的效率需要更強(qiáng)大的柵極驅(qū)動器,但這會導(dǎo)致更快的dV/dt,有可能損壞IC,因為任何非理想布局帶來的大量雜散電感會產(chǎn)生負(fù)電壓。要解決這個問題,可能需要單獨導(dǎo)通/關(guān)斷以優(yōu)化開關(guān)速度,如參考文獻(xiàn)中的RAA226110等分立式GaN驅(qū)動器IC。
●更小封裝以優(yōu)化布局
GaN供應(yīng)商通常建議采用小尺寸封裝,如CSP或BGA,這類封裝沒有擴(kuò)展引腳,可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)雜散電感。但要注意,某些可能部署在嚴(yán)苛環(huán)境中的應(yīng)用不能采用CSP或BGA封裝。
●IC工藝改進(jìn)
IC開關(guān)節(jié)點需要非常穩(wěn)健,以處理開關(guān)期間的高dV/dt(大于200V/ns)和負(fù)電壓。其內(nèi)部自舉二極管也需要盡可能趨近零Qrr(反向恢復(fù)電荷)以實現(xiàn)更高頻率。這些需求給IDM 或晶圓代工廠提出了挑戰(zhàn),要求其不斷改進(jìn)IC制造工藝。
●對死區(qū)時間優(yōu)化的進(jìn)一步研究
出于安全目的,高側(cè)開關(guān)關(guān)斷和低側(cè)開關(guān)導(dǎo)通之間有較短的死區(qū)時間。在此期間,GaN FET的“體二極管”會傳導(dǎo)負(fù)載電流。GaN FET獨特的“體二極管”模式具有零反向恢復(fù)電荷(Qrr),但正向壓降非常大。因此,在死區(qū)期間,不僅傳導(dǎo)損耗會增加,而且自舉電容器也可能會過度充電,直至損壞頂部的器件。為了實現(xiàn)非常小但仍然安全的死區(qū)時間,我們還必須考慮IC和其他BOM參數(shù)因溫度和批量生產(chǎn)的差異而發(fā)生的變化。像 ISL81806 這樣的 E-MODE 控制器使用針對GaN FET優(yōu)化的固定最小死區(qū)時間,并且 EPC9157 EVB 專門設(shè)計了外部低成本保護(hù)電路,以避免自舉電容器過度充電。不過,這又可能會限制實際的工作頻率。部分DC/DC IC供應(yīng)商會添加死區(qū)時間編程引腳或提供死區(qū)時間數(shù)字化編程。無論采用哪種方式,死區(qū)時間選擇的艱巨任務(wù)都落在電路設(shè)計人員肩上。未來,我們需要更智能的IC功能特性。
●增加靈活性以適應(yīng)各種GaN技術(shù)
與普通硅FET不同,各種GaN FET(包括增強(qiáng)型GaN FET)可能具有完全不同的設(shè)計。例如,建議的柵極電壓可能因制造商不同而差異很大,這會帶來麻煩,因為柵極電壓需要通過不同的OVP級別來保護(hù)。除了未來產(chǎn)品中的其他可能變量之外,柵極驅(qū)動電壓也需要可編程。
GaN FET未來可期,終有一日,它會以更合理的成本和更出色的性能,直接替代硅FET。而像ISL81806這類控制器正在通過進(jìn)一步的產(chǎn)品開發(fā)助力實現(xiàn)這一目標(biāo)。如果控制器設(shè)計得當(dāng),使用GaN FET會像使用硅FET一樣輕松自如。
(來源:面包板社區(qū) ,作者:Zhihong Yu)
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