纳微半导体:通过GaN功率IC兼得高速率和高效率

2017-09-29 17:53:25 来源:EEFOCUS
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过去十年来,我们使用的笔记本变得越来越轻薄,而与之配套的电源适配器却保持了一如既往的笨重,电源设计工程师们也在绞尽脑汁改变这一现状。然而迫于功率器件的性能局限,这一愿望迟迟没有实现。最近我们看到模拟器件供应商在电源转换器的速率和效率改善方面实现了新的突破。纳微半导体推出了号称世界上最小的65W USB-PD(Type-C)电源适配器参考设计。

据纳微半导体的共同创始人兼首席执行官Gene Sheridan介绍,“这款AllGaN功率IC可缩小变压器、滤波器和散热器的尺寸、减轻重量和降低成本。相比现有的基于硅类功率器件的设计,需要98-115cc(或6-7 in3)和重量达300g,基于AllGaN功率IC的65W新设计体积仅为45cc(或2.7 in3),而重量仅为60g。”

 


开关速度提高3-4倍,损耗降低40%
在电子技术的发展过程中,功率器件提供商一直在与速率和效率做斗争,高效率可以节约能源,高速率可以实现小体积、低成本和更快的充电速度。由于GaN的禁带宽度大,击穿电压很高,适合于高电压高功率的器件,因此近年来越来越受到重视。但是GaN器件不能直接用,需要额外配备一个驱动器协同工作,现在大部分驱动都是采用硅材料,效率不高。而且不管是硅还是分立GaN功率器件,速率和效率只能实现其一。为了两者兼得,纳微半导体将驱动和GaN集成到一起。Gene Sheridan表示,“用GaN 功率IC设计的65W参考设计NVE028A ,采用有源钳位反激(ACF)拓扑结构的,开关速度比典型的转换器设计快了3至4倍,损耗降低40%,从而实现更小的尺寸和更低的成本。”
 


图1:速率效率对比图



电源开关分为软开关和硬开关,其中硬开关存在能量损耗,硅器件和分立器件随着速率的增大效率减小,而纳微半导体采用的是软开关,不存在能量损耗,从上图中可以看出,随着速率的提升效率也在提升。AllGaN功率IC可以实现高达40MHZ的开关速度,密度高5倍,系统成本降低20%。

新材料的价格一般比较贵,用户更关心采用该器件成本如何降低成本?Gene Sheridan解释,“材料本身价格确实比较贵,但是综合来看,采用GaN功率IC所设计的系统成本比现有的方案要低。”


单片集成式IC,缩小设备体积
 


图2:基于分立器件的GaN驱动设计
 
图3:基于单片集成方案的GaN驱动设计


如图2所示,基于分立器件的GaN驱动设计方案需要用到数十种元器件,纳微半导体的单片式GaN功率IC已经将GaN驱动器、GaN FET和GaN逻辑集成在芯片内部,无需用户再次搭接驱动电路,因此设计电路大大简化,随着元器件减少,体积随之减小。而且该设计完全符合欧盟CoC Tier 2及美国能源部6级 (DoE VI)所规范的能效标准,更在满负载下实现超过94%的最高尖峰效率。

制造实力强大,确保产品质量
纳微半导体公司成立于2013年,是世界上第一家也是唯一的GaN功率IC 公司,对于一个新兴半导体公司来说,用户最更担心的还是产品质量和未来的产能,因为这将直接关系到用户的产品上市时间。Gene Sheridan强调,“我们拥有强大且不断增长的功率半导体行业专家团队,在材料、器件、应用程序、系统和营销以及成功创新方面合共拥有超过200年经验,多位创始人共拥有超过200项专利,纳微拥有或正在申请的专利超过30项。其专有的 AllGaN工艺设计套件以单片将最高性能的 GaN FET 与逻辑和模拟电路整合。 在晶圆厂产能方面,我们采用GaN-on-Si晶圆的标准CMOS,GaN epi反应器只需6个月的交货时间;在装配能力方面,我们采用标准工艺及设备的标准QFN封装,高速最终测试仪只需3个月的交货时间;2018年的产能将会大幅度扩大。”

 

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作者简介
郭云云
郭云云

与非网北京站编辑,网名:咖啡不解困。混迹在电子社区,混迹在电子产业圈,虽不如工程师懂技术但也算半个电子人,喜欢听别人讲故事,喜欢思考电子圈的是是非非,更喜欢发表自己的“正理邪说”,时刻保持对所见所得的思考。

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