如何讓電源適配器配得上你越來越小的便攜電腦
隨著便攜電腦的尺寸越來越小，重量越來越輕，曾經(jīng)作為電腦的“小尾巴”的電源適配器如今似乎要叫“大尾巴”了!電源適配器如何實現(xiàn)小型化，來配得上越做越小的便攜電腦則成為一項必須考慮的問題。
從功率器件發(fā)展來看，從NPN型功率器件發(fā)展到MOS管功率器件只用了大概10年的時間，功率器件的尺寸縮小了5倍;而在使用硅MOS管的30年期間，器件的尺寸并沒有提升很多，效率雖然有10%的提升，但是器件尺寸縮小還不到10%;直到包括GaN在內(nèi)的新材料出現(xiàn)后，不到3年的時間，功率器件的效率及尺寸的提升又繼續(xù)加速。在未來的十年，預(yù)計將在2025年再次提升3~5倍，另外，效率也會達到95%~99%。由此看來，新材料的發(fā)展會是功率器件發(fā)展的重要促進因素之一。
圖1 功率器件的發(fā)展
作為世界上第一家也是唯一的氮化鎵(GaN)功率IC公司，納微(Navitas)也正是看到了這一發(fā)展規(guī)律，最先采用新型GaN功率芯片——AllGaNTM。新型功率芯片為功率器件帶來了速度和效率兩方面的提升。
由于硅材料的結(jié)構(gòu)特性所限，一直無法同時滿足速度和效率作為功率器件的兩大設(shè)計參考指標。AllGaNTM通過配備新型拓撲——有源鉗位反激 (ACF) 拓撲結(jié)構(gòu)和新材料，并將驅(qū)動和GaN集成到一起，從而實現(xiàn)開關(guān)速度和效率兩者的共同提升。新功率器件可以提供高達400MHz的開關(guān)速度，其速度比典型的轉(zhuǎn)換器設(shè)計快了3至4倍，損耗降低40%，密度提高達5倍，系統(tǒng)成本也會下降20%，從而實現(xiàn)更小的尺寸和更低的成本。該設(shè)計完全符合歐盟CoC Tier 2及美國能源部6級 (DoE VI) 所規(guī)范的能效標準，更在滿負載下實現(xiàn)超過94%的最高尖峰效率。
圖2 AllGaNTM功率IC器件結(jié)構(gòu)
單芯片GaN功率IC與半橋GaN功率IC
納微在推出AllGaNTM平臺后，針對新型材料GaN先后推出了兩類功率IC，即單芯片GaN功率IC和半橋芯片GaN功率IC。
納微單芯片GaN功率IC是一款在650V下的單片式集成產(chǎn)品。該款產(chǎn)品采用5mm x 6mm QFN標準封裝。考慮到成本問題，納微單芯片GaN功率IC整個系列只用了這樣一個封裝方式。驅(qū)動采用內(nèi)置驅(qū)動，高壓信號輸入時，即可實輕松現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。納微共同創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Gene Sheridan介紹稱，通過這樣的驅(qū)動器整合，以軟開關(guān)為例將單芯片GaN功率IC與硅器件對比的話，硅器件電壓上升速度很快，會有陰影。而采用單芯片GaN功率IC器件，開關(guān)速度到1M時，開關(guān)電壓為500V，由此可見，采用單芯片GaN功率IC器件完全沒有開關(guān)損耗， EMI性能也很好。
圖3 單芯片GaN功率IC與硅器件的對比
半橋GaN功率IC是納微另一個系列，同樣驅(qū)動一個軟開關(guān)模型(600V/2MHz)效果如圖4所示，由圖4可以看出，半橋GaN功率IC基本上可以實現(xiàn)穩(wěn)定、無過沖的信號輸出。
圖4 半橋GaN功率IC與硅器件的對比
如果應(yīng)用分立器件做功率芯片，需要多元器件，包括用于隔離電源、隔離驅(qū)動、死區(qū)時間及穩(wěn)壓器等，電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。而如果用納微的AllGaNTM，由于其中已經(jīng)集成除控制芯片之外的所有驅(qū)動到器件中，工程師設(shè)計時只需要兩片芯片就可以原來復(fù)雜的電路設(shè)計，因而設(shè)計簡潔。
圖5 其他GaN做的電路設(shè)計圖
圖6 納微AllGaNTM實現(xiàn)的電路設(shè)計圖
65W USB-PD適配器參考設(shè)計
作為本次納微發(fā)布的最新方案——65W USB-PD適配器參考設(shè)計，可以做不同電壓輸出及新型標準的電源適配器。高頻及高效的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，需要98-115cc(或6-7 in3)和重量達300g，基于AllGaN?功率IC的65W新設(shè)計體積僅為45cc(或2.7 in3)，而重量僅為60g?；趨⒖荚O(shè)計的電源適配器的體積和重量僅為現(xiàn)在市面上普遍在用的基于硅的便攜電腦的65W適配器的五分之一。
圖7 左為聯(lián)想筆記本適配器，由為納微參考設(shè)計
如此小的體積是否會影響散熱呢?由于采用軟開關(guān)形式，開關(guān)損耗是沒有的，只需要考慮導通損耗。而通過方案設(shè)計，整個效率得到提高，從而使封裝不用設(shè)計的像硅的那么大，也就是說，整體方案設(shè)計又可以降低導通損耗，因而一般情況可以忽略。
圖8 納微65W USB-PD適配器參考設(shè)計
納微半導體銷售和營銷副總裁Stephen Oliver表示：“筆記本電腦的電源適配器終于和它所充電的筆記型電腦一樣變得輕薄細小，并且價格實惠。電源的設(shè)計人員面臨幾個相沖突的業(yè)界挑戰(zhàn)，從新的USB Type C連接和USB PD (電力輸送) 的輸出是否符合法定的能效標準，一直到成本等相關(guān)問題。納微的單芯片GaN功率IC可同時達到高速運作及高效率，其設(shè)計的方案滿足所有這些挑戰(zhàn);與舊式慢速基于硅的半導體設(shè)計相比，成本相近甚至更低?！?/p>
納微的未來優(yōu)勢及未來發(fā)展規(guī)劃
采用GaN-on-Si晶圓標準的CMOS，GaN epi反應(yīng)器只需6個月就可以完成交貨。未來Navitas會繼續(xù)大力關(guān)注中國市場，以為工程師設(shè)計相關(guān)方案提供技術(shù)支持。器件采用標準工藝及設(shè)備的標準QFN封裝，Navitas先進的高速最終測試只需3個月就可以完成交貨，未來還將繼續(xù)擴大供應(yīng)鏈合作伙伴，包括在中國建立設(shè)計研發(fā)中心，幫助中國工程師實現(xiàn)更完美的設(shè)計。
圖9 納微共同創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Gene Sheridan
當談及納微產(chǎn)品是否可以應(yīng)用到其他領(lǐng)域，Gene Sheridan表示，單芯片GaN功率IC與半橋GaN功率IC不僅可以用于，基本上可以用于所有AC-DC電源應(yīng)用，從20W到千W級，都是我們的目標市場。消費類產(chǎn)品只是我們的切入點，如果消費類產(chǎn)品沒有問題，基本上就可以應(yīng)用到所有其他類型產(chǎn)品。另外，如果要有其他企業(yè)進入，納微也歡迎行業(yè)良性競爭，現(xiàn)在我們的產(chǎn)品比同類產(chǎn)品領(lǐng)先至少兩到三年，我們也會繼續(xù)推出新產(chǎn)品來滿足廣大工程師設(shè)計需求。
