​​氮化镓技术再迭代,GaNSense引领智能

2021-11-23 10:11

2021年10月底,小米推出业界最小的120W新款氮化镓(GaN)充电器,带Type-C接口,体积更小,卖点:“小巧一点,强大很多”。小米并没有说其中采用了什么技术,还以为和以前一样,就是现有的GaN功率器件呗,肯定是要比已量产硅方案强很多。
直到纳微半导体(Navitas)刚刚发布了全球首款采用GaNSense技术的智能GaNFast氮化镓功率芯片,这才豁然以明:上述产品使用了两颗NV6134 GaNSense系列器件,相比传统硅方案效率提升1.5%,仅需15分钟就能充满电。
那就让我们来看看这GaNSense为什么如此神通广大吧!
 
GaN公司一路走来
20年前就有了GaN材料,而硅的应用比氮化镓早30年以上。最近几年,GaN通过自身优化、产能提升、成本控制,慢慢在在消费、工业应用中落地。
纳微半导体销售运营总监李铭钊介绍说,纳微2014年成立,创始人和CEO是Gene Shenidan,两位联合创始人是Dan Kinzer和Jason Zhang,后者是应用兼技术营销副总裁,是一位华人。这三个人曾在同一家公司中合作超过30,他们把以往的工作经验带到纳微。现在纳微已经获批专利超过200多件,还有100多件在准备申请中。纳微前4年纳微一直在摸索,探索和改善技术,2018年才做出第一个可以量产的产品。
今年10月,纳微半导体在纳斯达克成功上市,上市当天的估值10亿美元。值得一提的是,纳微中国团队成立3年多,为公司贡献了7成营收。其中国团队有60多人,占纳微全球人员超过40%。未来,纳微中国将加快对客户设计的支持,进一步增加销售、研发团队覆盖全球市场的能力,同时扩张芯片设计团队。
 
 
 
在芯片制造方面,纳微现在主要在台积电2号工厂生产,主要是16英寸晶圆。其封装用的是全球前三的封装厂,品质控制做到出货3000万颗GaN功率芯片零失效;生产交付时间为12周左右。
 
 
 
纳微半导体高级应用总监黄秀成补充说,在GaN上做芯片确实是纳微的原创,2000年初就开始研究GaN,在这方面积攒了非常多的经验。作为第一个吃螃蟹的人,纳微确实走过了很多艰辛的路,通过不停的探索,现在做GaN芯片更加轻车熟路,从之前的GaNFast到今天的GaNSense,设计开发、生产周期越来越短。
时至今日,全球超过140款量产充电器使用了纳微方案,约150款产品在研发阶段,未来12个月将会看到这些新产品陆续上市。
 
为什么从手机充电起步?
GaN开关速度快20倍,体积和重量更小,节能可达40%,功率密度提升3倍,特别适合快充方案。这都是和硅比。
所以,GaN应用场景主要是手机充电器,为什么充电器中普及很快呢?主要有两个原因,第一,手机电池越来越大,从以前的2000mA时到现在的5000mA时。GaN的优势是提升充电器功率,可以缩短充电时间,让电池体积变小。另外,采用USB-A和USB-C的电子设备越来越多,多头充电器市场非常大,GaN大有用武之地。
随着电源行业的发展,手机、充电器功率需求越来越高,出现了更多应用场景,GaN技术迭代也在持续进步。从纳微GaN功率芯片的进步可以看出,相比传统硅和分立式GaN器件,此前的GaNFast系列发挥了GaN的速度和潜能,其中集成了驱动和基本保护功能,工作频率从传统的几十到200kHz方案提升到MHz级别。
关于开关频率和EMI的问题,黄秀成表示,EMI并不会成为系统设计的问题。只要设计合理,对传输途径和阻碍EMC解决方案有很清晰的了解,就会发现高频化后EMC解决方案反而更简单。开关频率低,意味着L和C要很大,所以体积和成本就会很高;采用高频后,如果很好地处理传输途径,合理设计,基波频率高了,意味着L和C更小,体积和成本就可以降低。使用GaN做高频电源的工程师们慢慢能体会到的一些真谛。
 
功率GaN流派孰优孰劣?
据介绍,功率GaN的发展主要有两个流派:一个是eMode常开型,另一个eMode是常关型,纳微代表的是后者。相比常关型GaN功率器件,纳微进一步做了集成,包括驱动、保护和控制。
 
 
 
传统硅器件参数不够优异,开关速率、频率都受到极大的限制。因为开关频率较低,电感电容尺寸比较大,电源功率密度比较低,通常小于0.5W/cc。另外,分立式GaN因为受限于驱动电路复杂性,如果不把驱动集成到功率器件中,受限于外部器件布局、布线,无法发挥GaN应有潜力。虽然,一些厂商可以设计出相对比较高的功率密度,但是也没有远没有达到1W/cc的数字。
GaN功率芯片集成后能带来什么好处呢?纳微的GaN器件集成了控制、驱动和保护,可以不依赖于外部集成参数,可以充分释放开关频率,电源适配器的主流开关频率可以做到300、400kHz,模块电源已经有客户做到了MHz。用经过集成的方案设计出来的功率密度比传统硅或分立式GaN高了很多,目前好多案例远大于1W/cc。
 
 
 
以上说的是此前的GaN功率芯片,那么现在呢?
 
GaNSense集成带来四大提升
GaNSense技术通过进一步集成在GaNFast基础上做了几大性能提升,包括无损采样、过流保护、过温保护和智能待机。
黄秀成介绍坦承,目前纳微GaN器件的主流系列是GaNFast,其驱动控制和保护在功率器件上面,采用的是QFN封装。其大体布局和传统硅和分立式区别不大,有漏极、源极和PWM,外加3个控制驱动。作为功率芯片,其外部有一个Vcc供电,范围非常宽(10V-30V),外围控制器可以适应Vcc范围。
由于GaN芯片设计存在一些难点,处理基准电压比较难,所以器件外部用一个稳压管来产生内部基准电压,把宽范围Vcc调整成内部真正需要驱动GaN功率器件的母线电压。PWM内部有很多磁滞电路,做了降噪处理。相比传统硅或者分立式GaN,在内部保护、UVLO的Vcc未达到某一定值之前,整个芯片处于锁定状态,以避免器件在某些异常条件下工作失效。
 
 
 
GaNFast集成了驱动,实现了基本保护功能。而GaNSense技术又进一步,实现了几个突出的性能优点。
 
 
 
·无损可编程电流采样
原来系统中有一个采样电阻,调整可编程电阻可以改变可编程电压。用无损采样代替原来的采样电阻,电源回路中的通态损耗会减半,意味着能效提升。另外还减少PCB面积,布局更灵活、简单。在热耦合方面,系统中原来有两个发热元件,现在去掉了一个,热系数更好,器件工作温度更低,效率也会更高。
 
 
 
·过流保护
传统上,GaNFast系列外部需要一个采样电阻,其信号送给控制器判断是否发生过流。为了避免噪声,控制器有一个延迟,通常反应时间在300ns左右。在GaNSense技术中,基于采样信号内部设定一个过流阈值,在内部做信号处理,触及这个阈值时反应时间小于100ns,节省出来200ns可以避免系统因短路、过功率等造成变压器电流急剧上升的情况。
 
 
 
·过温保护
目前的保护机理也是设置一个区间,当GaN片芯温度超过设定阈值(通常160℃),不管有没有外部PMW信号,直接关断芯片,让它自然冷却,直到低于100℃,再去参考PMW信号,有信号则继续工作,如果异常没有解除,温度还在上升,则保持关断,以实现精准控制结温。
 
 

 
·智能待机
现在,比较宽松的范围是75mW,但是很多OEM、ODM都会要求待机做到30mW。所以,早期的GaNFast其他性能都非常好,但因为考虑待机问题,通常外边会做个电路,切断待机Vcc,所以系统相对复杂。GaNSense技术更加完善,可以智能检测PWM信号,当PWM信号工作正常时,智能待机不动作;当系统进入跳周期模式,通过检测让芯片进入待机模式,待机电流从原来的接近1mA降到接近100μA,待机功耗可以下降很多。另外,进入待机后,第一次出现脉冲30ns就可以马上进入正常工作模式。
 
 
 
量产、支持、合作同步推进
采用GaNSense技术的产品已经上线,系列更全,有不同封装,如6mm×8mm、5mm×6mm,选择也更多,目前的5种最小为120mΩ,最大是450mΩ,范围覆盖从20W快充和100-200W快充。
纳微半导体高级研发总监徐迎春介绍说,纳微GaN提供的高可靠和集成驱动一个关键技术,集成驱动除了提高量产可靠性,还对整个产品的长期可靠性至关重要。因为GaN是一个新的器件,需要采用全新的设计,所以,纳微在中国成立了非常强大的AE团队,以支持2021年2022年即将量产的160个产品。
深圳、杭州和上海的AE团队将从客户需求定制、原理图绘制,到整个布版设计、结构装配、样机测试、分析,直到小批量试产、中批量试产、大批量量产,提供全程的服务。其背后有从美国回来的黄秀成博士带领的博士团队、很多10到20年工作经验的工程师的支持,还有与上游磁芯平面变压器、控制器厂家的合作,可以根据客户需求实现联合设计开发。
纳微还与全球很多学术机构、学院都有紧密合作,包括美国电力电子研究中心(CPES)、佛罗里达州立大学、斯坦福大学,开展各种高频、高密度电源的研究。在中国跟浙大、福州大学、南航等几所电力电子界知名高校有一些合作项目和课题研究,以此保证纳微半导体在芯片、器件、系统应用层面的领先。
 
跳出手机充电圈
手机充电器领秀群伦,却在“吃着碗里看着锅里”,从消费类快充,拓展到数据中心、汽车领域,这就纳微的野心所在。
黄秀成表示,目前纳微的主要应用还是在消费类电源,但是公司蓝图一定是往数据中心、汽车方向拓展。设计难点肯定会有,包括汽车要求的芯片功率等级、电压等级和可靠性方面有更严峻的挑战。纳微半导体对芯片设计、可靠性验证内部规范也会更加的严苛。在量产方面,良率也是非常大的挑战,目前纳微在这方面做的非常好,未来在良率方面还继续突破。数据中心、电动汽车要求更大功率的器件,纳微一定会下更多工夫克服技术难点,实现更高的可靠性和良率。
李铭钊补充说,GaN在汽车市场的增长潜力比较看好,在汽车方面主要有两个应用,一个是OBC,一个DC-DC。因为硅在市场中超过50年的历史,碳化硅(SiC)走在GaN前面10年左右,GaN最近这三五年才落地才应用,所以还是需要时间把这个材料和产品应用到不同领域。
 
 
 
他透露,目前纳微半导体跟国外的汽车零件生产公司已经开始合作,并将与欧洲汽车生产商启动一个大型项目。
从消费类开始铺垫,占领巨大市场后再拓展到其他产业链,正是纳微半导体未来GaN市场布局的战略规划。而在纳微未来5年的计划中,服务器是第二步,工业类是第三步,汽车类是第四步,值得期待。

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