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(jì)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(gè)主要的流派,如下圖所示,一個(gè)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(dòng)器來驅(qū)動(dòng)GaN。在eMode常關(guān)型這條技術(shù)路線上,將控制、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)等集成在一個(gè)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(dòng)線路復(fù)雜性較高,分立方案沒有把驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jì)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(diǎn)。在納微半導(dǎo)體美股上市不到一個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)300ns的delay。而現(xiàn)在GaNSense在內(nèi)部的閾值反應(yīng)時(shí)間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)<100ns,節(jié)省出來的200ns就可以避免系統(tǒng)因?yàn)槎搪贰⑦^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(shí)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(diǎn)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(shí)將VCC切斷,實(shí)現(xiàn)芯片功耗降低?,F(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(shí),就會讓芯片進(jìn)入待機(jī)模式,這時(shí)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(gè)平臺上,用GaNSense加持的新一代GaNFast替代早期的GaNFast芯片后,可以實(shí)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(shí)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(jì)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(jì)改良。據(jù)納微半導(dǎo)體銷售營運(yùn)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(jì)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(shí)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(gè)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(jì),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(qiáng)大的AE團(tuán)隊(duì),從客戶的需求的定制、需求的討論,到原理圖的繪制,到整個(gè)布版的設(shè)計(jì),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(gè)詳細(xì)設(shè)計(jì)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(xiàng)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(fèi)類的快充上應(yīng)用較多,但其實(shí)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(dòng)汽車等應(yīng)用上也驅(qū)動(dòng)其創(chuàng)新。納微半導(dǎo)體也不僅僅只是想做一個(gè)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(fèi)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(fèi)類應(yīng)用的巨大市場,拉動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈跟上。在納微未來5年的計(jì)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(diǎn)要提升到96%,要實(shí)現(xiàn)這樣的表現(xiàn),傳統(tǒng)的硅拓?fù)鋾黾臃浅6嗟某杀尽6鳪aN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(fèi)。因此納微半導(dǎo)體將數(shù)據(jù)中心作為其消費(fèi)類快充市場拿下之后的第二個(gè)主要應(yīng)用方向,并且已經(jīng)成立了專門的團(tuán)隊(duì)。
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(shí)現(xiàn)25%以上的降低 ,40%以上的節(jié)能,將投資回報(bào)周期縮短,從而推動(dòng)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(dòng)汽車領(lǐng)域上, GaN的主要發(fā)力點(diǎn)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(gè)合作,并將與歐洲的汽車生產(chǎn)商啟動(dòng)一個(gè)大的項(xiàng)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。”黃秀成分享到,“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(gè)模塊,比如3個(gè)die,或者幾個(gè)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(dòng)汽車的主驅(qū),都是在我們的規(guī)劃當(dāng)中,那個(gè)時(shí)候看氮化鎵完全是另外一個(gè)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?;诖耍蛻舻恼w方案設(shè)計(jì)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(fèi)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(jià)值。再過五年,十年,GaN的芯片應(yīng)用會是更大的一個(gè)市場。
備注:GaNSense、GaNFast均為納微半導(dǎo)體注冊商標(biāo)