原創(chuàng)
GaN FET：音響發(fā)燒友的首選技術(shù)
[導(dǎo)讀]從智能設(shè)備充電器等低功率、低成本應(yīng)用一直到高功率汽車應(yīng)用，氮化鎵 FET 正成為許多產(chǎn)品的廣泛首選。大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)人員對(duì) GaN 提供的更高的效率和功率密度印象深刻，這導(dǎo)致器件具有比硅同類產(chǎn)品更大的功率能力。然而，高端音頻放大器現(xiàn)在也越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向 GaN 技術(shù)，因?yàn)?GaN FET 的平滑開(kāi)關(guān)特性導(dǎo)致注入放大器的可聽(tīng)噪聲更少。
從智能設(shè)備充電器等低功率、低成本應(yīng)用一直到高功率汽車應(yīng)用，氮化鎵 FET 正成為許多產(chǎn)品的廣泛首選。大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)人員對(duì) GaN 提供的更高的效率和功率密度印象深刻，這導(dǎo)致器件具有比硅同類產(chǎn)品更大的功率能力。然而，高端音頻放大器現(xiàn)在也越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向 GaN 技術(shù)，因?yàn)?GaN FET 的平滑開(kāi)關(guān)特性導(dǎo)致注入放大器的可聽(tīng)噪聲更少。
最近，包括Technics(松下)在內(nèi)的大牌音頻設(shè)備制造商都宣布了包含GaN技術(shù)的新音頻設(shè)備。GaN FET 的開(kāi)關(guān)速度比同類產(chǎn)品更快，效率更高;因此，可以最小化設(shè)備尺寸。例如，最近的高端音頻產(chǎn)品現(xiàn)在以 400 kHz 切換，而上一代放大器以 100 kHz 切換。
但對(duì)于發(fā)燒友來(lái)說(shuō)，最終的目標(biāo)是純粹的聲音。這意味著可能饋入放大器的任何可聽(tīng)噪聲都應(yīng)盡可能接近于零。通常，更高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致更高水平的EMI和更高水平的可聽(tīng)噪聲——這與音頻公司試圖實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)完全相反。
然而，GaN FET 的特征開(kāi)關(guān)行為不同于硅器件。比較了上一代高端音頻設(shè)備中使用的典型硅 MOSFET(藍(lán)線)和 Nexperia 在同一應(yīng)用中制造和銷售的 GaN FET 器件(紅線)的開(kāi)關(guān)波形。我們可以看到，盡管 MOSFET 的性能非常適合這項(xiàng)任務(wù)，但在關(guān)斷時(shí)存在高度振鈴，并且 505 V 的峰值電壓遠(yuǎn)高于 GaN 器件。GaN 部分更平滑，峰值僅為 420 V。
應(yīng)該注意的是，硅和 GaN 器件并不完全可比，因?yàn)樗鼈兪遣煌募夹g(shù);然而，眾所周知，使用 GaN FET 器件可以實(shí)現(xiàn)平滑切換，從而顯著降低噪聲——電氣噪聲和聽(tīng)覺(jué)噪聲。工程師進(jìn)行的一項(xiàng)分析表明，EMI 顯著降低——在 170 kHz 時(shí)降低了 10 dB——主要是通過(guò)在 3 kW 電源設(shè)計(jì)中用 Nexperia GaN FET 替換硅 MOSFET 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雖然該設(shè)計(jì)的噪聲頻譜與可聽(tīng)頻率有很大不同，但原理是相同的。
為什么 GaN 開(kāi)關(guān)比硅“更平滑”且振鈴更少?在 Nexperia 的案例中，答案在于設(shè)備的設(shè)計(jì)。
GaN HEMT 作為具有自然“開(kāi)啟”狀態(tài)的耗盡型 FET 運(yùn)行。出于安全性和可接受性考慮，大多數(shù)工程師更喜歡在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中使用自然“關(guān)閉”的設(shè)備。目前，有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)自然“關(guān)閉”操作——單芯片增強(qiáng)模式(e-mode)或雙芯片級(jí)聯(lián)模式器件。e-mode p-GaN HEMT 的柵極結(jié)構(gòu)使它們對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電壓非常敏感，并且它們的閾值電壓非常低。它們也可能難以駕駛。出于這些原因，Nexperia 更喜歡堆疊芯片級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將低電壓、低 R DS(on)MOSFET 與自然“開(kāi)啟”的 GaN HEMT 器件串聯(lián)。這種配置提供了堅(jiān)固可靠的硅柵極絕緣(電介質(zhì))柵極結(jié)構(gòu)，再加上高壓 GaN HEMT 改進(jìn)的電壓阻斷特性，有效地結(jié)合了 GaN HEMT 的自然“開(kāi)啟”工作狀態(tài)的優(yōu)勢(shì)具有自然“關(guān)閉”設(shè)備的安全和操作優(yōu)勢(shì)。更好的是，級(jí)聯(lián)器件可以由具有簡(jiǎn)單 0 至 10 或 12 V 驅(qū)動(dòng)電壓的標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)高效的柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。
出于我們討論噪聲的目的——對(duì)于高性能音頻放大器來(lái)說(shuō)都是可聽(tīng)的，對(duì)于電源示例來(lái)說(shuō)是 EMI——級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)提供了額外的好處。Nexperia 與低壓硅 MOSFET 和 GaN HEMT 的電容緊密匹配，硅器件充當(dāng)濾波器，從而產(chǎn)生平滑的波形。這種電容匹配在 Nexperia 的一篇論文“ Reliability and Performance Related to Internal Avalanche of GaN Cascode Devices ”中進(jìn)行了詳細(xì)討論，作者是 Transphorm 的 Yifeng Wu 和 Nexperia 的 Yan Lai。
開(kāi)關(guān)電源具有出色的瞬時(shí)供電能力，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁的聲音，這都是適合高端音頻應(yīng)用的屬性。然而，它們傳統(tǒng)上被認(rèn)為是負(fù)面的，因?yàn)樗鼈儠?huì)因開(kāi)關(guān)操作而產(chǎn)生噪聲。出于同樣的原因，更高的開(kāi)關(guān)速度也是一個(gè)問(wèn)題?，F(xiàn)在，具有更平滑開(kāi)關(guān)的 GaN 開(kāi)關(guān)正在讓音頻設(shè)備制造商重新思考。展示了一家領(lǐng)先制造商提供的真實(shí)數(shù)據(jù)，該制造商現(xiàn)在使用 GaN 開(kāi)關(guān)，并將其最新產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)速度提高到 400 kHz——以前的硅基放大器僅限于 100 kHz。
在從 20 Hz 到 20 kHz 的整個(gè)可聽(tīng)頻譜范圍內(nèi)，新型放大器(橙色線)中 GaN 電源產(chǎn)生的噪聲遠(yuǎn)低于老一代產(chǎn)品(藍(lán)色線)。該公司在新設(shè)計(jì)中采用了寬帶、低噪聲參考電壓生成電路和控制電路。這確保了穩(wěn)定的增益并實(shí)現(xiàn)了在低頻下平坦的超低噪聲特性。
概括
在 Nexperia 從最初推出具有 50 mΩ R DS(on)的 650-V 晶體管到目前額定 35 mΩ 的器件的三年中，很快就會(huì)提供 12-mΩ 的器件。此外，Nexperia 不久將提供采用 CCPAK1212 的 GaN 器件，這是一種專為 GaN 設(shè)計(jì)的高性能 SMD 封裝。此類器件帶來(lái)了明顯的效率和功率優(yōu)勢(shì)，但其平滑的開(kāi)關(guān)性能(針對(duì)效率進(jìn)行了優(yōu)化)也意味著它們也是低噪聲應(yīng)用的理想解決方案。
最近，包括Technics(松下)在內(nèi)的大牌音頻設(shè)備制造商都宣布了包含GaN技術(shù)的新音頻設(shè)備。GaN FET 的開(kāi)關(guān)速度比同類產(chǎn)品更快，效率更高;因此，可以最小化設(shè)備尺寸。例如，最近的高端音頻產(chǎn)品現(xiàn)在以 400 kHz 切換，而上一代放大器以 100 kHz 切換。
但對(duì)于發(fā)燒友來(lái)說(shuō)，最終的目標(biāo)是純粹的聲音。這意味著可能饋入放大器的任何可聽(tīng)噪聲都應(yīng)盡可能接近于零。通常，更高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致更高水平的EMI和更高水平的可聽(tīng)噪聲——這與音頻公司試圖實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)完全相反。
然而，GaN FET 的特征開(kāi)關(guān)行為不同于硅器件。比較了上一代高端音頻設(shè)備中使用的典型硅 MOSFET(藍(lán)線)和 Nexperia 在同一應(yīng)用中制造和銷售的 GaN FET 器件(紅線)的開(kāi)關(guān)波形。我們可以看到，盡管 MOSFET 的性能非常適合這項(xiàng)任務(wù)，但在關(guān)斷時(shí)存在高度振鈴，并且 505 V 的峰值電壓遠(yuǎn)高于 GaN 器件。GaN 部分更平滑，峰值僅為 420 V。
應(yīng)該注意的是，硅和 GaN 器件并不完全可比，因?yàn)樗鼈兪遣煌募夹g(shù);然而，眾所周知，使用 GaN FET 器件可以實(shí)現(xiàn)平滑切換，從而顯著降低噪聲——電氣噪聲和聽(tīng)覺(jué)噪聲。工程師進(jìn)行的一項(xiàng)分析表明，EMI 顯著降低——在 170 kHz 時(shí)降低了 10 dB——主要是通過(guò)在 3 kW 電源設(shè)計(jì)中用 Nexperia GaN FET 替換硅 MOSFET 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雖然該設(shè)計(jì)的噪聲頻譜與可聽(tīng)頻率有很大不同，但原理是相同的。
為什么 GaN 開(kāi)關(guān)比硅“更平滑”且振鈴更少?在 Nexperia 的案例中，答案在于設(shè)備的設(shè)計(jì)。
GaN HEMT 作為具有自然“開(kāi)啟”狀態(tài)的耗盡型 FET 運(yùn)行。出于安全性和可接受性考慮，大多數(shù)工程師更喜歡在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中使用自然“關(guān)閉”的設(shè)備。目前，有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)自然“關(guān)閉”操作——單芯片增強(qiáng)模式(e-mode)或雙芯片級(jí)聯(lián)模式器件。e-mode p-GaN HEMT 的柵極結(jié)構(gòu)使它們對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電壓非常敏感，并且它們的閾值電壓非常低。它們也可能難以駕駛。出于這些原因，Nexperia 更喜歡堆疊芯片級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將低電壓、低 R DS(on)MOSFET 與自然“開(kāi)啟”的 GaN HEMT 器件串聯(lián)。這種配置提供了堅(jiān)固可靠的硅柵極絕緣(電介質(zhì))柵極結(jié)構(gòu)，再加上高壓 GaN HEMT 改進(jìn)的電壓阻斷特性，有效地結(jié)合了 GaN HEMT 的自然“開(kāi)啟”工作狀態(tài)的優(yōu)勢(shì)具有自然“關(guān)閉”設(shè)備的安全和操作優(yōu)勢(shì)。更好的是，級(jí)聯(lián)器件可以由具有簡(jiǎn)單 0 至 10 或 12 V 驅(qū)動(dòng)電壓的標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)高效的柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。
出于我們討論噪聲的目的——對(duì)于高性能音頻放大器來(lái)說(shuō)都是可聽(tīng)的，對(duì)于電源示例來(lái)說(shuō)是 EMI——級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)提供了額外的好處。Nexperia 與低壓硅 MOSFET 和 GaN HEMT 的電容緊密匹配，硅器件充當(dāng)濾波器，從而產(chǎn)生平滑的波形。這種電容匹配在 Nexperia 的一篇論文“ Reliability and Performance Related to Internal Avalanche of GaN Cascode Devices ”中進(jìn)行了詳細(xì)討論，作者是 Transphorm 的 Yifeng Wu 和 Nexperia 的 Yan Lai。
開(kāi)關(guān)電源具有出色的瞬時(shí)供電能力，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁的聲音，這都是適合高端音頻應(yīng)用的屬性。然而，它們傳統(tǒng)上被認(rèn)為是負(fù)面的，因?yàn)樗鼈儠?huì)因開(kāi)關(guān)操作而產(chǎn)生噪聲。出于同樣的原因，更高的開(kāi)關(guān)速度也是一個(gè)問(wèn)題?，F(xiàn)在，具有更平滑開(kāi)關(guān)的 GaN 開(kāi)關(guān)正在讓音頻設(shè)備制造商重新思考。展示了一家領(lǐng)先制造商提供的真實(shí)數(shù)據(jù)，該制造商現(xiàn)在使用 GaN 開(kāi)關(guān)，并將其最新產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)速度提高到 400 kHz——以前的硅基放大器僅限于 100 kHz。
在從 20 Hz 到 20 kHz 的整個(gè)可聽(tīng)頻譜范圍內(nèi)，新型放大器(橙色線)中 GaN 電源產(chǎn)生的噪聲遠(yuǎn)低于老一代產(chǎn)品(藍(lán)色線)。該公司在新設(shè)計(jì)中采用了寬帶、低噪聲參考電壓生成電路和控制電路。這確保了穩(wěn)定的增益并實(shí)現(xiàn)了在低頻下平坦的超低噪聲特性。
概括
在 Nexperia 從最初推出具有 50 mΩ R DS(on)的 650-V 晶體管到目前額定 35 mΩ 的器件的三年中，很快就會(huì)提供 12-mΩ 的器件。此外，Nexperia 不久將提供采用 CCPAK1212 的 GaN 器件，這是一種專為 GaN 設(shè)計(jì)的高性能 SMD 封裝。此類器件帶來(lái)了明顯的效率和功率優(yōu)勢(shì)，但其平滑的開(kāi)關(guān)性能(針對(duì)效率進(jìn)行了優(yōu)化)也意味著它們也是低噪聲應(yīng)用的理想解決方案。
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