【導(dǎo)讀】目前，電源在電子行業(yè)已經(jīng)占據(jù)舉足輕重的地位。數(shù)字電路設(shè)計(jì)師過(guò)去只是在PCB上留給電源設(shè)計(jì)人員一點(diǎn)空間（如果足夠大的話），并要求提供12V電壓?，F(xiàn)在電源的威力可大多了，不但可以讓電動(dòng)車跑得更遠(yuǎn)，而且讓手機(jī)充電更快，甚至可以讓電力設(shè)備經(jīng)理節(jié)省兩位數(shù)的能源成本。
電源革命
1977年HEXFET問(wèn)世，它是由國(guó)際整流器公司（IR）的Alex Lidow和Dan Kenza領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的。 Silicon General和Unitrod也在那一年開(kāi)發(fā)出了電源管理芯片（PWMIC）。磁性材料也取得了突破，讓元器件變得更快。曾經(jīng)只在大學(xué)里出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)突然變成了行業(yè)主流。讓開(kāi)關(guān)電源成功商業(yè)化的核心技術(shù)發(fā)生在20世紀(jì)70年代后期。
功率半導(dǎo)體、拓?fù)洹⒖刂破骱痛判圆牧系拇笕诤蠟闃I(yè)界帶來(lái)了驚人的變化：效率提高、相應(yīng)功率密度增加，同時(shí)成本直線下降。這為電子行業(yè)的大量開(kāi)發(fā)鋪平了道路，為我們帶來(lái)了很多新的技術(shù)，比如諧振電源、LLC轉(zhuǎn)換器，以及英飛凌突破性的CoolMOS技術(shù)。
寬禁帶半導(dǎo)體代表了功率電子的第二次革命。這些新型功率半導(dǎo)體激發(fā)了控制器公司的新控制器和改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如90年代后期推出的有源鉗位反激式技術(shù)。此外，最新的磁性元件可在一兆赫茲或兩兆赫茲下工作。同樣，在這場(chǎng)革命中，效率提高、頻率上升，成本卻不斷下降。
圖1：電源發(fā)展歷程
功率密度（AC-DC轉(zhuǎn)換器~300W）；線性調(diào)節(jié)器；開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器；高頻開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器；新磁性元件；新控制器；新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2倍低損耗；3倍低成本/W；10年5倍提升；超過(guò)30年每年<10%改善；十年5倍提升；新GaN功率IC；效率。
運(yùn)行更快
過(guò)去幾年來(lái)，磁性能方面取得了重大進(jìn)展，而且出現(xiàn)了改進(jìn)的材料。就拿GaN來(lái)說(shuō)，兩年前人們還認(rèn)為磁性不存在，為什么還要試圖加快速度呢，但現(xiàn)在已經(jīng)證明事實(shí)并非如此。
隨著半導(dǎo)體和磁性技術(shù)的快速發(fā)展，控制器也是一個(gè)需要開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域，要跟上其他相關(guān)器件的快速發(fā)展。以Navitas公司的AllGaN技術(shù)為例，該公司采用增強(qiáng)模式GaN FET，并將之與驅(qū)動(dòng)器集成在同一芯片上。 Navitas還可以集成其他器件，如電平轉(zhuǎn)換器或ECD二極管，甚至是邏輯欠壓鎖定，使其更接近真正的GaN功率芯片。
圖2：AllGaN功率芯片的特性
由于這一切都發(fā)生在單個(gè)芯片上，因此相對(duì)容易制造和封裝，這自然也帶來(lái)了其他系統(tǒng)好處。由于FET的柵極直接連接到柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出，因此驅(qū)動(dòng)器輸出和柵極輸入之間的阻抗為零。 這也意味著GaN作為分立器件不容易搞定，但如果你能在一個(gè)盒子里集成一個(gè)完整的解決方案，那就意味著你可以小心地控制流向柵極的電壓，這意味著也可以保護(hù)柵極。
集成的方案還意味著可以在高頻工作，而不必?fù)?dān)心柵極阻抗會(huì)影響性能、效率和穩(wěn)定性。 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是集成的驅(qū)動(dòng)器可以提高穩(wěn)健性，使用單芯片解決方案，布局也比較靈活。
圖3：GaN芯片集成解決方案
寬范圍Vcc；調(diào)節(jié)器可保護(hù)SOA內(nèi)的VGS；滯后的PWM可抗噪聲干擾；整體布局靈活簡(jiǎn)潔；柵極可防止外部噪聲。
開(kāi)關(guān)
在高頻應(yīng)用中，軟開(kāi)關(guān)諧振拓?fù)涫且环N很好的方法。 但在實(shí)際情況下，可能存在啟動(dòng)例程，也許是突發(fā)模式，你可以進(jìn)行硬切換。 要知道一切都非常艱難，可以可靠地進(jìn)行硬切換，也可以進(jìn)行軟切換。
沒(méi)有柵極阻抗或電阻的分立解決方案會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的電路。 如果添加了阻抗，它會(huì)變得穩(wěn)定，但也會(huì)導(dǎo)致很長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)周期。 因此，如果可以直接連接驅(qū)動(dòng)器輸出和柵極輸入，那么就可以快速運(yùn)行并保持穩(wěn)定。壓擺率只需要一個(gè)電阻即可搞定。 因此，集成意味著一種非常可控的高性能器件。
圖4：分離驅(qū)動(dòng)器和分離FET與GaN功率芯片性能比較
關(guān)于集成的另一個(gè)問(wèn)題是ESD。標(biāo)準(zhǔn)硅MOSFET的ESD非常容易理解。PWMIC的ESD也是眾所周知的。而GaN器件是分立形式的，其ESD就不是那么容易理解。我們必須要小心，但如果你要設(shè)計(jì)功率IC，那么就要將ESD二極管放在上面。因此，這也成為通過(guò)集成使生活變得更為輕松的另一種方式，可以集成電平移位器，或半橋直通保護(hù)之類的東西。
在這種情況下，集成解決方案占板面積為6×8mm，具有完整的半橋系統(tǒng)和自舉充電功能，以及欠壓鎖定和ESD保護(hù)特性。在頻率方面，這些器件的額定值為2兆赫茲。關(guān)于高頻電平轉(zhuǎn)換的一個(gè)注意事項(xiàng)是，存在電感耦合或電容耦合的技術(shù)可以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，但其本質(zhì)上是不同的技術(shù)。
集成的優(yōu)勢(shì)
在易用性方面，相對(duì)于分立方案，帶驅(qū)動(dòng)器的集成方案可明顯減少組件數(shù)量，使設(shè)計(jì)更具可預(yù)測(cè)性，而且設(shè)計(jì)速度也更快，性能更高。集成是控制和性能的關(guān)鍵。集成的解決方案可提供一個(gè)可預(yù)測(cè)的構(gòu)建模塊。
圖5：分離方案與集成方案的對(duì)比
圖6示出了一個(gè)65W電源參考設(shè)計(jì)的示例，這是一種采用軟開(kāi)關(guān)型態(tài)、運(yùn)行頻率約為300kHz的有源鉗位反激式設(shè)計(jì)。 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)反激式或準(zhǔn)諧振反激式設(shè)計(jì)，緩沖網(wǎng)絡(luò)處理反激電壓。 用第二個(gè)開(kāi)關(guān)替換緩沖網(wǎng)絡(luò)，它就變成了一個(gè)半橋，能夠?qū)㈩l率提高到300kHz。
圖6：一個(gè)65W電源參考設(shè)計(jì)示例
有源鉗位由弗吉尼亞理工大學(xué)（Virginia Polytech）于1996年推出，現(xiàn)在的控制IC不僅可以達(dá)到很高的功率密度，而且還滿足DoE六級(jí)要求和歐盟要求。 該設(shè)計(jì)是具有完整USB-PD輸出的最小電源，比標(biāo)準(zhǔn)電源具有更高的復(fù)雜性和功能，在90V AC輸入的最壞情況下可以提供20V輸出，其滿負(fù)載效率超過(guò)93％。
圖7顯示了使用相同拓?fù)涞恼缀赵O(shè)計(jì)。這實(shí)際上是由弗吉尼亞理工大學(xué)CPES研究小組于2016年完成的。這個(gè)一兆赫的有源鉗位反激設(shè)計(jì)使用DSP而不是控制IC，以證明滿載的頻率和功率密度。但在過(guò)去，它不可能成為一個(gè)行業(yè)產(chǎn)品，因?yàn)樗谳p載情況下效率不高。 現(xiàn)在使用控制IC就可以做到這一點(diǎn)。
圖7：與65W電源相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兆赫茲電源
在高頻率時(shí)要考慮的事情之一就是EMI，可能有一個(gè)大約500kHz的臨界點(diǎn)，你可以使用一個(gè)基于線軸的變壓器，或一個(gè)基于環(huán)形的變壓器。如果在500kHz左右使用平面變壓器，需要注意一些事情。其一是可以得到尺寸非常小的設(shè)計(jì)，這有助于提高功率密度。其二是可以獲得相同或更低成本的變壓器解決方案，因?yàn)槟悴槐亟?jīng)歷制作整個(gè)繞線變壓器的額外步驟。
你可以在任何一方進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。但在這種設(shè)計(jì)中，在平面變壓器內(nèi)部，還有一些EMI屏蔽層，因此它可以阻止EMI，或者從源頭消除EMI。所以在這種情況下，我們可以得到一個(gè)非常非常小的單面EMI濾波器，它符合所有規(guī)格。
由于這是一個(gè)使用DSP的大學(xué)項(xiàng)目，利用新的控制器和新的半橋，我們可以再次縮小這個(gè)設(shè)計(jì)的尺寸。
圖8：縮小后的兆赫茲電源
現(xiàn)在，在與標(biāo)準(zhǔn)的5W或7W方糖電源相同的空間內(nèi)，我們可以做到25W。這是使用的是GaN，新的磁性材料，這是日立的ML 91S器件。使用新的拓?fù)鋵W(xué)，以前只是在學(xué)術(shù)界，現(xiàn)在已經(jīng)在企業(yè)界流行起來(lái)，以及可用的控制IC，再集成驅(qū)動(dòng)器和MOSSFET，可以充分利用所有這些來(lái)推動(dòng)性能的進(jìn)一步提升。
