納微半導(dǎo)體：通過GaN功率IC兼得高速率和高效率

過去十年來，我們使用的筆記本變得越來越輕薄，而與之配套的電源適配器卻保持了一如既往的笨重，電源設(shè)計(jì)工程師們也在絞盡腦汁改變這一現(xiàn)狀。然而迫于功率器件的性能局限，這一愿望遲遲沒有實(shí)現(xiàn)。最近我們看到模擬器件供應(yīng)商在電源轉(zhuǎn)換器的速率和效率改善方面實(shí)現(xiàn)了新的突破。納微半導(dǎo)體推出了號稱世界上最小的 65W USB-PD（Type-C）電源適配器參考設(shè)計(jì)。

據(jù)納微半導(dǎo)體的共同創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Gene Sheridan 介紹，“這款 AllGaN 功率 IC 可縮小變壓器、濾波器和散熱器的尺寸、減輕重量和降低成本。相比現(xiàn)有的基于硅類功率器件的設(shè)計(jì)，需要 98-115cc（或 6-7 in3）和重量達(dá) 300g，基于 AllGaN 功率 IC 的 65W 新設(shè)計(jì)體積僅為 45cc（或 2.7 in3），而重量僅為 60g?！?/p>

開關(guān)速度提高 3-4 倍，損耗降低 40%
在電子技術(shù)的發(fā)展過程中，功率器件提供商一直在與速率和效率做斗爭，高效率可以節(jié)約能源，高速率可以實(shí)現(xiàn)小體積、低成本和更快的充電速度。由于 GaN 的禁帶寬度大，擊穿電壓很高，適合于高電壓高功率的器件，因此近年來越來越受到重視。但是 GaN 器件不能直接用，需要額外配備一個(gè)驅(qū)動器協(xié)同工作，現(xiàn)在大部分驅(qū)動都是采用硅材料，效率不高。而且不管是硅還是分立 GaN 功率器件，速率和效率只能實(shí)現(xiàn)其一。為了兩者兼得，納微半導(dǎo)體將驅(qū)動和 GaN 集成到一起。Gene Sheridan 表示，“用 GaN 功率 IC 設(shè)計(jì)的 65W 參考設(shè)計(jì) NVE028A ，采用有源鉗位反激(ACF)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的，開關(guān)速度比典型的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)快了 3 至 4 倍，損耗降低 40%，從而實(shí)現(xiàn)更小的尺寸和更低的成本?！?br /> ?

圖 1：速率效率對比圖

電源開關(guān)分為軟開關(guān)和硬開關(guān)，其中硬開關(guān)存在能量損耗，硅器件和分立器件隨著速率的增大效率減小，而納微半導(dǎo)體采用的是軟開關(guān)，不存在能量損耗，從上圖中可以看出，隨著速率的提升效率也在提升。AllGaN 功率 IC 可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 40MHZ 的開關(guān)速度，密度高 5 倍，系統(tǒng)成本降低 20%。

新材料的價(jià)格一般比較貴，用戶更關(guān)心采用該器件成本如何降低成本？Gene Sheridan 解釋，“材料本身價(jià)格確實(shí)比較貴，但是綜合來看，采用 GaN 功率 IC 所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本比現(xiàn)有的方案要低?！?/p>

單片集成式 IC，縮小設(shè)備體積
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圖 2：基于分立器件的 GaN 驅(qū)動設(shè)計(jì)
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圖 3：基于單片集成方案的 GaN 驅(qū)動設(shè)計(jì)

如圖 2 所示，基于分立器件的 GaN 驅(qū)動設(shè)計(jì)方案需要用到數(shù)十種元器件，納微半導(dǎo)體的單片式 GaN 功率 IC 已經(jīng)將 GaN 驅(qū)動器、GaN FET 和 GaN 邏輯集成在芯片內(nèi)部，無需用戶再次搭接驅(qū)動電路，因此設(shè)計(jì)電路大大簡化，隨著元器件減少，體積隨之減小。而且該設(shè)計(jì)完全符合歐盟 CoC Tier 2 及美國能源部 6 級 (DoE VI)所規(guī)范的能效標(biāo)準(zhǔn)，更在滿負(fù)載下實(shí)現(xiàn)超過 94%的最高尖峰效率。

制造實(shí)力強(qiáng)大，確保產(chǎn)品質(zhì)量
納微半導(dǎo)體公司成立于 2013 年，是世界上第一家也是唯一的 GaN 功率 IC 公司，對于一個(gè)新興半導(dǎo)體公司來說，用戶最更擔(dān)心的還是產(chǎn)品質(zhì)量和未來的產(chǎn)能，因?yàn)檫@將直接關(guān)系到用戶的產(chǎn)品上市時(shí)間。Gene Sheridan 強(qiáng)調(diào)，“我們擁有強(qiáng)大且不斷增長的功率半導(dǎo)體行業(yè)專家團(tuán)隊(duì)，在材料、器件、應(yīng)用程序、系統(tǒng)和營銷以及成功創(chuàng)新方面合共擁有超過 200 年經(jīng)驗(yàn)，多位創(chuàng)始人共擁有超過 200 項(xiàng)專利，納微擁有或正在申請的專利超過 30 項(xiàng)。其專有的 AllGaN 工藝設(shè)計(jì)套件以單片將最高性能的 GaN FET 與邏輯和模擬電路整合。 在晶圓廠產(chǎn)能方面，我們采用 GaN-on-Si 晶圓的標(biāo)準(zhǔn) CMOS，GaN epi 反應(yīng)器只需 6 個(gè)月的交貨時(shí)間；在裝配能力方面，我們采用標(biāo)準(zhǔn)工藝及設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn) QFN 封裝，高速最終測試儀只需 3 個(gè)月的交貨時(shí)間；2018 年的產(chǎn)能將會大幅度擴(kuò)大?！?/p>

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