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小米引爆的GaN快充离成熟还差一步

2020-03-04 赵明灿 阅读:
小米引爆的GaN快充离成熟还差一步
EDN上的文章《一文看懂小米捧红的氮化镓快充到底是什么?》对GaN技术进行了详细科普。本文就来讨论下这项技术的现状以及未来又会有何发展。

上个月,小米在Mi 10发布会上推出65W氮化镓(GaN)充电器,引起市场对GaN技术的广泛关注。相比于硅材料,GaN具有高功率密度、高频率和高热导率等优势,从而使得充电器可以在做到大功率输出的同时实现小体积。EDN上的文章《一文看懂小米捧红的氮化镓快充到底是什么?》对GaN技术进行了详细科普。本文就来讨论下这项技术的现状以及未来又会有何发展。orxednc

小米GaN充电器所用IC只实现单开关管和驱动器集成

早在去年,笔者就听到GaN充电器今年将会爆发的风声。其实前年市场上就已陆续出现了非原装的USB PD适配器产品,例如Anker和RAVPower等,小米并非是最早尝鲜者。但相比之下,小米产品的输出功率更大,价格也变得更便宜。随着5G手机的来临以及手机屏幕不断增强,电池容量变得越来越大。因此,市场迫切需要有更厉害的快充技术来提供支持(据了解,华为、OPPO、三星、苹果也都在积极布局GaN技术)。orxednc

去年笔者就在几次活动中询问过几家半导体厂商,GaN/SiC产品设计如何解决开关频率过高所产生的EMI问题,得到的答案是集成。例如,“将栅极驱动器和控制器IC集成起来,是帮助减轻快速开关器件EMI问题的绝佳方法。”UnitedSiC公司总裁兼CEO Chris Dries如是说。那么,现在的GaN充电器芯片,它们的集成度又如何(这类产品是否已成熟)?orxednc

据悉,小米的这款充电器所用器件是纳微半导体(Navitas)的NV6115和NV6117 GaNFast功率IC——该公司号称是业界首家且唯一一家的GaN功率IC供应商。通过datasheet不难知道,这两款IC将单个开关管和单个驱动器集成在一起(两者只是漏源通态电阻RDS(ON)不同);而GaN市场上的其他供应商则大多是提供分立式的GaN开关管(Power Integrations去年发布的PowiGAN也实现了GaN开关管与控制器的集成,但应不是单die)。orxednc

GaN IC单片集成的挑战以及SOI

电子产品的最终发展趋势是集成(可实现高性能和低成本两方面好处),这对GaN来说也如此。如果能将半桥开关管和驱动器集成在一起,则可以降低驱动器和开关管之间以及开关结点之间的寄生电容(寄生电容越小,晶体管工作越快),从而发挥出GaN技术的全部潜力。orxednc

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(图片来源:imec)orxednc

然而,要实现这样的单片集成,挑战也不小。orxednc

功率器件领域所用的GaN一般是硅基GaN。从Navitas的Power IC可知,他们现在实现的是单驱动器与单开关管的集成——实现半桥电路需要用到两颗IC(见下图)。然而,对于硅基GaN来说,如果要更进一步将半桥开关管与驱动器集成起来,则会遇到背栅效应问题。orxednc

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(图片来源:Navitas)orxednc

背栅效应:在很多情况下,源极和衬底的电位并不相同。对NMOS管而言,衬底通常接电路的最低电位,有VBS≤0;对PMOS管而言,衬底通常接电路的最高电位,有VBS≥0。这时,MOS管的阈值电压将随其源极和衬底之间电位的不同而发生变化。这一效应称为“背栅效应”(见下图,一目了然)。orxednc

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(图片来源:imec)orxednc

背栅效应会对半桥中的高侧开关产生不利影响,而在衬底中引起电流/功耗,并且产生的开关噪声也会使控制电路受到干扰。orxednc

这个问题怎么解决?绝缘硅(SOI)在这里就可以派上用场。orxednc

据了解,比利时微电子研究中心(imec)就对此推出了SOI基GaN的解决方案(详见“TUTORIAL: All-GaN GaN-ICs in the IMEC's GaN-on-SOI technology”)。如下图所示,通过引入埋氧层(BOX),半桥结构中的上管和下管之间实现了电气隔离,因此就消除了背栅效应。然后,通过在衬底上嵌入晶体管逻辑和无源元件(电阻、电容)等,就可以在单die上集成完整的高端电源系统。orxednc

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(图片来源:imec)orxednc

另一篇论文“SOI: A Great Foundation For The GaN HEMT”也指出,SOI可以解决硅基GaN所遇到的三个问题:1. 由于硅基GaN的两种半导体之间存在大晶格失配以及硅的电场强度相对较低,硅衬底会发生垂直电气击穿。2.GaN生长的最佳硅平面是(111),而传统硅器件的平面是(100);3.硅衬底由于其低电阻率和高损耗正切特性,会产生功率损耗。orxednc

综上所述,在笔者看来,不管是从性能、体积还是成本方面,GaN快充技术都还有更大的潜力可挖。各位EDN的小伙伴们,你们又怎么认为呢?orxednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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