釋放GaN全部潛力，GaNSense進(jìn)一步提高GaN功率芯片集成度

隨著蘋果新一代的140W氮化鎵（GaN）快充面世，GaN進(jìn)一步走進(jìn)了大眾視線。GaN具備超過硅20倍的開關(guān)速度，3倍的禁帶寬度。天然的優(yōu)勢可以讓整體的電源設(shè)計功率密度更高，讓整體電源方案體積和重量更小。但GaN作為一種新材料器件，要發(fā)揮其真正的優(yōu)勢，仍需要很多的新的技術(shù)積累來支撐?！胺蛛xGaN電源方案可以將功率密度提升到傳統(tǒng)硅方案的2倍3倍，但遠(yuǎn)未能達(dá)到1W/cc的數(shù)字?！奔{微半導(dǎo)體高級應(yīng)用總監(jiān)黃秀成分享到，“納微半導(dǎo)體的集成方案可以將GaN的開關(guān)頻率和速度優(yōu)勢充分釋放，我們的很多案例已經(jīng)遠(yuǎn)大于1W/cc?！苯誑avitas納微半導(dǎo)體發(fā)布了全新的GaNSense技術(shù)，在GaNFast的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升了集成度。

GaNFast：集成方案才能發(fā)揮GaN潛力

目前功率GaN有兩個主要的流派，如下圖所示，一個是dMode常開型，這種技術(shù)路線需要在GaN之外增加額外的硅FET級聯(lián)配置，也可以將其與控制器、GaN合封在一起組成集成的方案。另一種是eMode常關(guān)型，需要特殊的柵極驅(qū)動器來驅(qū)動GaN。在eMode常關(guān)型這條技術(shù)路線上，將控制、驅(qū)動和保護(hù)等集成在一個芯片上的集成方案，以納微半導(dǎo)體的GaNFast為代表。據(jù)黃秀成分享，氮化鎵驅(qū)動線路復(fù)雜性較高，分立方案沒有把驅(qū)動集成到功率器件里，受限于外部器件的布局、布線參數(shù)的影響，開關(guān)頻率沒有發(fā)揮到氮化鎵本來發(fā)揮到的高度。GaNFast集成了控制、驅(qū)動和保護(hù)在里面，就可以不依賴于外部集成參數(shù)影響，所以設(shè)計出來的功率密度比傳統(tǒng)的硅或者分立式的氮化鎵高得多。

但GaNFast并不是常開型GaN功率器件高度集成的終點。在納微半導(dǎo)體美股上市不到一個月后，GaNSense新技術(shù)就重磅發(fā)布，為GaNFast集成了更多具有競爭力的功能：無損電流采樣、過流保護(hù)、過溫保護(hù)和智能待機(jī)。

全新GaNSense技術(shù)：GaN功率方案集成度更進(jìn)一步

GaNSense新技術(shù)加持的GaNFast功率芯片，在四大方面實現(xiàn)了智能化的GaN方案突破。

無損電流采樣的方式是通過采集GaN晶元上某些具有代表性cell的電流信號，然后經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換，最終以一種電流源的輸出到外部的可編程電阻上，通過調(diào)節(jié)電阻大小來復(fù)現(xiàn)出流經(jīng)GaN的電流。據(jù)黃秀成分享，以NV6134這一型號產(chǎn)品舉例，雖然規(guī)格書中標(biāo)注的是4～5%的證書偏差，但經(jīng)過上千個測試結(jié)果顯示，采樣誤差大概在正負(fù)1.36%以內(nèi)，采樣精度非常高。

這種無損電流采樣的方案可以將傳統(tǒng)方案中采樣電阻取消，這一損耗完全節(jié)省下來， 回路的通態(tài)損耗也會減半，從而達(dá)到能效提升的效果；另外也進(jìn)一步節(jié)省了PCB面積，實現(xiàn)更靈活和緊湊的布局；去掉之后的熱系數(shù)也會更好 ，耦合系數(shù)更低，器件本身工作溫度低了之后，系統(tǒng)整體效率也會提升。

過流保護(hù)是基于采樣信號在GaN功率芯片內(nèi)部設(shè)定一個過流閾值。傳統(tǒng)的分立方案、包括之前的GaNFast的集成方案，都是需要在外部連接一個采樣電阻來判斷是否發(fā)生過流情況。控制器為了避免噪聲的問題，回設(shè)置一個300ns的delay。而現(xiàn)在GaNSense在內(nèi)部的閾值反應(yīng)時間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)<100ns，節(jié)省出來的200ns就可以避免系統(tǒng)因為短路、過功率等異常情況造成的變壓器電流急劇上升這樣的惡化情況。

據(jù)黃秀成分享，如果電流信號觸碰到內(nèi)部設(shè)置的閾值，不管外部控制器的PWM信號時高還是低，都會直接關(guān)斷，從而保護(hù)系統(tǒng)里面的串流電流不回繼續(xù)擴(kuò)充超過閾值。這是一種逐周期的保護(hù)方式， 精準(zhǔn)控制過流點在閾值以內(nèi)。

過溫保護(hù)的方式同樣是采集GaN晶元的溫度，當(dāng)溫度超過設(shè)定閾值之后，不論外部PWM控制信號是高還是低都直接關(guān)斷芯片，讓芯片自然冷卻。芯片冷卻到閾值溫度以下后，才會重新參考外部的PWM信號，判斷是否需要繼續(xù)工作。這區(qū)別于過流保護(hù)，并非以一種逐周期的方式，但可以在區(qū)間內(nèi)精準(zhǔn)控制節(jié)溫的范圍。

智能待機(jī)功能是在GaNFast之前的技術(shù)基礎(chǔ)上更進(jìn)了一步。早期的GaNFast雖然內(nèi)部靜態(tài)電流僅為700u～1mA，但為了追求更好的待機(jī)功耗，仍需要在外部布置線路，在待機(jī)時將VCC切斷，實現(xiàn)芯片功耗降低。現(xiàn)在的GaNSense技術(shù)更加完善，通過智能檢測PWM信號來讓芯片進(jìn)入待機(jī)模式。當(dāng)芯片檢測到PWM信號表現(xiàn)為非工作頻率的周期模式時，就會讓芯片進(jìn)入待機(jī)模式，這時候待機(jī)電流會從1mA左右降低到100uA左右。另外喚醒的速度也非常關(guān)鍵，GaNSense加持的新一代GaNFast可以在30ns內(nèi)讓芯片重新回到正常工作模式。據(jù)黃秀成分享，在同一個平臺上，用GaNSense加持的新一代GaNFast替代早期的GaNFast芯片后，可以實現(xiàn)6～7mW的功耗節(jié)省，待機(jī)功耗境地接近20%，這是非常出色的表現(xiàn)。

從研發(fā)、生產(chǎn)到全鏈AE支持：納微助力GaN客戶創(chuàng)新

從上文中GaNSense的技術(shù)細(xì)節(jié)介紹中我們可以看到，很多技術(shù)都需要在晶元層面上實現(xiàn)，對于傳統(tǒng)的硅芯片廠商而言，這是一種全新的技術(shù)積累，在Si、SiC器件上的一些技術(shù)積累并不能夠在GaN的設(shè)計上直接使用，而且GaN的這些技術(shù)創(chuàng)新需要晶圓廠的密切配合，一起進(jìn)行工藝的設(shè)計改良。據(jù)納微半導(dǎo)體銷售營運總監(jiān)李銘釗介紹，納微現(xiàn)在主要是在臺積電的2號工廠里生產(chǎn)，主要生產(chǎn)6寸的晶圓。在封裝部分，采用全球前三名的封裝廠商，品質(zhì)控制做到零故障。現(xiàn)在累計出貨三千萬顆氮化鎵功率芯片，確定零故障。產(chǎn)出良率能力90%以上，交付的時間是12周左右。

在產(chǎn)業(yè)鏈的上下游合作上，納微半導(dǎo)體也一直緊密合作。據(jù)徐迎春分享，在納微半導(dǎo)體的最早期產(chǎn)品研發(fā)階段，就有很多磁芯廠家送磁芯給黃秀成博士評估，如何將其應(yīng)用到氮化鎵領(lǐng)域，還包括磁芯、磁環(huán)、濾波器和變壓器等，是非常重要一塊，在電源中占25%的成本。第二是電解電容，納微半導(dǎo)體與頭部廠商合作，獲得定制化的產(chǎn)品來應(yīng)用到GaN中。第三是PCB和平板變壓器等非常核心的技術(shù)，也是黃秀成博士在引領(lǐng)。正是這些整個上游生態(tài)圈的密切串聯(lián)，才能夠讓下游終端客戶和ODM客戶可以專注于其產(chǎn)品研發(fā)。

GaN這樣一種全新器件也會帶來一種全新的設(shè)計，所以對于客戶而言，支持的工作也同樣重要。納微在中國部署了強大的AE團(tuán)隊，從客戶的需求的定制、需求的討論，到原理圖的繪制，到整個布版的設(shè)計，到結(jié)構(gòu)的裝配性，一直到EVT（電器性能樣機(jī)測試），到最后整個詳細(xì)設(shè)計階段EMI的調(diào)試，一直到小批量的試產(chǎn)，中批量的試產(chǎn)，到大批量的量產(chǎn)，納微都提供全程的服務(wù)。在這種支持下，目前已經(jīng)量產(chǎn)的GaN充電器項目達(dá)到了140多例，正在研發(fā)的超過150例，獲得了超過90%的品牌商認(rèn)可。

功率GaN的應(yīng)用不止于快充

GaN功率器件雖然目前在消費類的快充上應(yīng)用較多，但其實其優(yōu)異的特性并不僅僅局限于快充，在數(shù)據(jù)中心、電動汽車等應(yīng)用上也驅(qū)動其創(chuàng)新。納微半導(dǎo)體也不僅僅只是想做一個快充功率方案的提供商，而是會繼續(xù)面向數(shù)據(jù)中心和汽車等方向發(fā)力。據(jù)李銘釗介紹，傳統(tǒng)GaN的廠商都是從工業(yè)類、汽車類這邊開始來做，納微半導(dǎo)體跟一開始GaN的廠商不一樣，是先從消費類開始鋪墊，把整體GaN的量沖起來，在市場里邊印證技術(shù)、建立產(chǎn)能和周邊的生態(tài)圈。通過大量消費類應(yīng)用的巨大市場，拉動整個產(chǎn)業(yè)鏈跟上。在納微未來5年的計劃中，服務(wù)器就是第二步，第三步工業(yè)類，第四步汽車類發(fā)展。

歐盟要求到2023年數(shù)據(jù)中心的效率曲線最高效率點要提升到96%，要實現(xiàn)這樣的表現(xiàn)，傳統(tǒng)的硅拓?fù)鋾黾臃浅６嗟某杀?。而GaN的方案會有更好的成本和性能的表現(xiàn)，可以為其每年節(jié)省19億的電費。因此納微半導(dǎo)體將數(shù)據(jù)中心作為其消費類快充市場拿下之后的第二個主要應(yīng)用方向，并且已經(jīng)成立了專門的團(tuán)隊。

此外在太陽能領(lǐng)域，通過GaN的方案可以將逆變器的體積變成更小，將其成本實現(xiàn)25%以上的降低 ，40%以上的節(jié)能，將投資回報周期縮短，從而推動住宅太陽能的應(yīng)用。據(jù)悉該市場機(jī)會對于GaN功率芯片而言將會是10億美元/年的規(guī)模。

在電動汽車領(lǐng)域上， GaN的主要發(fā)力點是OBC和DC/DC部分。目前GaNFast的一些專利技術(shù)，譬如OCP、OTP的保護(hù)等，都可以應(yīng)用到汽車應(yīng)用上。但譬如無損采樣等，需要添加一些隔離的功能才能夠滿足汽車的應(yīng)用要求。目前納微半導(dǎo)體也已經(jīng)在這方面開始進(jìn)行研發(fā)。據(jù)悉納微半導(dǎo)體和國外的汽車零件生產(chǎn)公司已經(jīng)有一個合作，并將與歐洲的汽車生產(chǎn)商啟動一個大的項目。

“現(xiàn)在是氮化鎵不斷往上走，電壓等級、電流等級，功率等級，不斷往上探，所以納微未來的布局有服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心、EV等等，我們不斷把氮化鎵往上探?！秉S秀成分享到，“本身氮化鎵往上探?jīng)]有限制，我們在年底或明年就會出小于20毫歐的器件，這意味著我們可以做到單體3.3千瓦到5千瓦的功率，未來我們做這個模塊，比如3個die，或者幾個die，做橋壁做并聯(lián)等等，很快功率等級從10千瓦到20千瓦、30千W，EV充電樁，甚至電動汽車的主驅(qū)，都是在我們的規(guī)劃當(dāng)中，那個時候看氮化鎵完全是另外一個基調(diào)，這是我們對未來市場的判斷?！?

總結(jié)

GaNSense新技術(shù)的加持，讓新一代的GaNFast芯片的集成度進(jìn)一步提升，智能化的程度提升。基于此，客戶的整體方案設(shè)計也可以變成更為簡潔和高效。正如納微半導(dǎo)體遠(yuǎn)瞻，從消費類市場對GaN芯片需求起量之后， 未來GaN將會在更多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮其價值。再過五年，十年，GaN的芯片應(yīng)用會是更大的一個市場。

備注：GaNSense、GaNFast均為納微半導(dǎo)體注冊商標(biāo)