【導(dǎo)讀】GaN FET可以應(yīng)用在48V電源系統(tǒng)中，但由于缺乏配合GaN FET工作的合適控制器，工程師們常利用DSP數(shù)字解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)其高頻和高效率設(shè)計(jì)。然而，DSP解決方案因?yàn)樾枰~外的IC而增加了復(fù)雜性和難度。本文介紹了一種兼容GaN FET的模擬控制器，它只需很少的器件，就可以讓設(shè)計(jì)人員像使用硅FET一樣簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)同步降壓變換器，同時(shí)提供卓越的性能。
GaN FET可以應(yīng)用在48V電源系統(tǒng)中，但由于缺乏配合GaN FET工作的合適控制器，工程師們常利用DSP數(shù)字解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)其高頻和高效率設(shè)計(jì)。然而，DSP解決方案因?yàn)樾枰~外的IC而增加了復(fù)雜性和難度。本文介紹了一種兼容GaN FET的模擬控制器，它只需很少的器件，就可以讓設(shè)計(jì)人員像使用硅FET一樣簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)同步降壓變換器，同時(shí)提供卓越的性能。
在電力電子領(lǐng)域，氮化鎵 (GaN) FET擁有比傳統(tǒng)硅FET更加卓越的性能。GaN FET因效率高而產(chǎn)生更少的熱量，系統(tǒng)成本也隨之大大降低。然而，商用電源制造商在應(yīng)用GaN FET進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)仍面臨一些挑戰(zhàn)，以下為客戶反饋的一些信息：
1.“GaN FET設(shè)計(jì)與硅FET設(shè)計(jì)完全不同。” （電源制造商）
2.“使用GaN需要數(shù)字控制，這讓我們望而卻步；因?yàn)樵O(shè)計(jì)模擬電路比較容易，成本也低，那才是我們擅長(zhǎng)的事情?！?（電信公司）
3.“GaN FET 的到來(lái)意義重大。能夠縮小散熱器尺寸對(duì)我們來(lái)說(shuō)非常重要，但問(wèn)題是我們還需要一個(gè)微控制器來(lái)配合它。” (家電廠商)
許多設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)意識(shí)到采用GaN FET會(huì)帶來(lái)的益處，但卻一直猶豫是否將GaN引入實(shí)際設(shè)計(jì)，其主要原因還是設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。隨著GaN FET成本的不斷降低，相對(duì)硅FET的高昂成本可以通過(guò)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)來(lái)抵消。假如客戶真的面臨這些難題，那我們?cè)撊绾螏椭麄儯?/p>
瑞薩電子通過(guò)在48V系統(tǒng)中使用100V GaN FET來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。本文將闡述這種方法，并以一種截然不同的方式來(lái)解除客戶的疑慮。
自從電話設(shè)備被發(fā)明以來(lái)，電信和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用一直采用48V直流電源供電。近年來(lái)，數(shù)據(jù)中心和高端汽車系統(tǒng)也開(kāi)始采用48V電源，因?yàn)樗匀槐徽J(rèn)為是安全的低電壓，其安全要求要低得多，但允許使用具有最小壓降的更細(xì)規(guī)格電線?，F(xiàn)在已經(jīng)有很多發(fā)布的文章都在探討快速興起的48V市場(chǎng)。
5G AAU（有源天線單元）的典型電源樹(shù)圖如圖1所示。系統(tǒng)的-48V輸入總線通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換提供數(shù)百瓦或千瓦級(jí)的功率，將-48V電壓轉(zhuǎn)換為+28V、或+48V至+56V，并饋入大型功率放大器陣列。轉(zhuǎn)換后的正電壓還可以創(chuàng)建12V或5V總線饋送給其他系統(tǒng)負(fù)載，例如時(shí)序/時(shí)鐘、存儲(chǔ)器、ASIC/FPGA等（如果-48V已經(jīng)與交流電或可再生能源等主電源隔離，則無(wú)需再隔離）。顯然，隨著5G市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，AAU和BBU（基帶單元，圖中未顯示）都需要多個(gè)不同功率級(jí)別的48V轉(zhuǎn)換，這其中蘊(yùn)含的市場(chǎng)潛力巨大。投入資源開(kāi)發(fā)80V或100V額定電壓的GaN FET來(lái)取代傳統(tǒng)硅FET符合GaN制造商的商業(yè)利益。
在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中采用GaN有很多潛在的益處，包括提高系統(tǒng)效率、最小化設(shè)備尺寸、降低電力成本和簡(jiǎn)化散熱管理等。尤其對(duì)5G AAU，它甚至可以減輕系統(tǒng)重量，考慮到基站安裝越來(lái)越分散，而且有些場(chǎng)景安裝還比較困難，這一點(diǎn)尤其重要。
圖1：典型的5G AAU電源樹(shù)圖（未顯示交流電源）
電源架構(gòu)的細(xì)節(jié)取決于站點(diǎn)類型、覆蓋范圍、位置以及與電網(wǎng)或遠(yuǎn)程電源的距離。
宜普公司 (EPC)是業(yè)界著名的 GaN FET 公司之一，曾經(jīng)發(fā)布過(guò)48V總線電源轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)（EPC9143），其中就采用了GaN FET方法（見(jiàn)圖 2），其整個(gè)設(shè)計(jì)都是開(kāi)源的。
該參考設(shè)計(jì)基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的1/16磚尺寸轉(zhuǎn)換器，支持18V至60V輸入，并基于兩相交錯(cuò)配置提供額定電流為25A的12V輸出。除了EPC GaN FET之外，該設(shè)計(jì)還使用了一個(gè)16 位數(shù)字控制器，其工作頻率為500kHz，可提供大于95%的峰值效率（該控制器具有DSP內(nèi)核和額外的模擬部分，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們?cè)谖闹蟹Q其為DSP）。
圖2：帶DSP控制器的EPC9143參考設(shè)計(jì)（頂部和底部）
毫無(wú)疑問(wèn)，該設(shè)計(jì)提供了相當(dāng)不錯(cuò)的性能，但我們注意到它還使用了六顆其它IC，如圖2的參考設(shè)計(jì)所示。
通過(guò)多種數(shù)字電源控制器，用戶可以靈活地重新編程輸出電壓和保護(hù)閾值，還可以添加其他需要的功能。然而，對(duì)于某些48V應(yīng)用，一旦設(shè)計(jì)確定，就無(wú)需重新配置；因此其控制調(diào)制器如果以模擬方式設(shè)計(jì)，將與數(shù)字方式同樣有效。我們開(kāi)始考慮是否可以將 EPC9143 中所需的 7顆IC進(jìn)行組合并替換，僅用一個(gè)模擬IC就達(dá)到類似的性能。雖然 DSP解決方案幾乎實(shí)現(xiàn)了GaN FET設(shè)計(jì)的最大潛力，其效率遠(yuǎn)高于硅FET。但通過(guò)更簡(jiǎn)單的BOM實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)，將為客戶提供更高的功率密度和更低的解決方案成本，這與效率同樣重要。
在精簡(jiǎn)產(chǎn)品定義、IC設(shè)計(jì)和全面驗(yàn)證工作之后，瑞薩電子開(kāi)發(fā)出了一款80V雙同步降壓控制器，專門優(yōu)化以驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)模式GaN FET，即ISL81806（參見(jiàn)圖3）。
圖3：80V雙輸出/兩相GaN FET控制器ISL81806
ISL81806 采用兩相交錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最多可并聯(lián)成六個(gè)交錯(cuò)相位，可以承受千瓦級(jí)的負(fù)載，而無(wú)需外部數(shù)字控制來(lái)分配相位。
其它特性還包括：
●寬輸入電壓范圍：4.5V至80V，適合電信設(shè)備應(yīng)用
●寬輸出電壓范圍：0.8V至76V
●支持恒壓或恒流輸出
●寬開(kāi)關(guān)頻率范圍：100Khz至2MHz
●輕載或強(qiáng)制PWM模式下的二極管仿真和突發(fā)模式
●直通保護(hù)、OCP、OVP、OTP、UVP
●每個(gè)輸出的獨(dú)立使能（EN）和軟啟動(dòng)
●針對(duì)增強(qiáng)型GaN FET進(jìn)行優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)和死區(qū)時(shí)間
EPC和瑞薩電子開(kāi)發(fā)了一個(gè)新型參考設(shè)計(jì)板EPC9157（參見(jiàn)圖 4）。與圖2中的 DSP解決方案相同，它采用了兩相交錯(cuò)拓?fù)浜?/16磚尺寸模塊外形設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)板的額定輸入電壓、輸出電流和500kHz頻率也與DSP解決方案相同。（截至本文發(fā)布之時(shí)，該板的額定輸入電壓為80V）。
圖4：使用ISL81806和四個(gè)GaN FET的EPC9157 參考設(shè)計(jì)板（僅提供模擬控制）
DSP EVB和模擬EVB的效率比較如圖5所示，其效率在峰值功率下非常接近。模擬EVB 具有更好的輕載效率，部分原因是單個(gè)模擬控制器消耗的工作電流 (50μA) 比DSP解決方案所需的七個(gè)組合IC要少，而且它可以直接使用12V輸出作為IC電源的外部偏置。
圖5：效率比較（左：使用DSP的EPC9143；右：使用ISL81806的EPC9157）
圖6顯示了數(shù)字和模擬解決方案之間的主要BOM差異（其中省略了無(wú)源組件）。很明顯，模擬解決方案電路BOM非常簡(jiǎn)單，它只需一個(gè)IC，不需要任何編程。
圖6: BOM比較
盡管ISL81806已經(jīng)提供了卓越的效率、解決方案尺寸和BOM成本，但未來(lái)仍有很多改進(jìn)的空間。正如GaN FET技術(shù)在過(guò)去幾年中迅猛發(fā)展一樣，瑞薩電子正致力于定義和設(shè)計(jì)匹配的控制器，其設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
●未來(lái)的發(fā)展方向可能包括（但不限于）：
提高擊穿電壓
100V擊穿電壓可能更適合遠(yuǎn)程AAU以及板裝磚式電源模塊，尤其適用于具有長(zhǎng)電纜的電信設(shè)備，可以使其更加堅(jiān)固。
●更強(qiáng)大的分離式柵極驅(qū)動(dòng)
實(shí)現(xiàn)更高的效率需要更強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)器，但這會(huì)導(dǎo)致更快的dV/dt，有可能損壞IC，因?yàn)槿魏畏抢硐氩季謳?lái)的大量雜散電感會(huì)產(chǎn)生負(fù)電壓。要解決這個(gè)問(wèn)題，可能需要單獨(dú)導(dǎo)通/關(guān)斷以優(yōu)化開(kāi)關(guān)速度，如參考文獻(xiàn)中的RAA226110等分立式GaN驅(qū)動(dòng)器IC。
●更小封裝以優(yōu)化布局
GaN供應(yīng)商通常建議采用小尺寸封裝，如CSP或BGA，這類封裝沒(méi)有擴(kuò)展引腳，可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)雜散電感。但要注意，某些可能部署在嚴(yán)苛環(huán)境中的應(yīng)用不能采用CSP或BGA封裝。
●IC工藝改進(jìn)
IC開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)需要非常穩(wěn)健，以處理開(kāi)關(guān)期間的高dV/dt（大于200V/ns）和負(fù)電壓。其內(nèi)部自舉二極管也需要盡可能趨近零Qrr（反向恢復(fù)電荷）以實(shí)現(xiàn)更高頻率。這些需求給IDM 或晶圓代工廠提出了挑戰(zhàn)，要求其不斷改進(jìn)IC制造工藝。
●對(duì)死區(qū)時(shí)間優(yōu)化的進(jìn)一步研究
出于安全目的，高側(cè)開(kāi)關(guān)關(guān)斷和低側(cè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通之間有較短的死區(qū)時(shí)間。在此期間，GaN FET的“體二極管”會(huì)傳導(dǎo)負(fù)載電流。GaN FET獨(dú)特的“體二極管”模式具有零反向恢復(fù)電荷（Qrr），但正向壓降非常大。因此，在死區(qū)期間，不僅傳導(dǎo)損耗會(huì)增加，而且自舉電容器也可能會(huì)過(guò)度充電，直至損壞頂部的器件。為了實(shí)現(xiàn)非常小但仍然安全的死區(qū)時(shí)間，我們還必須考慮IC和其他BOM參數(shù)因溫度和批量生產(chǎn)的差異而發(fā)生的變化。像 ISL81806 這樣的 E-MODE 控制器使用針對(duì)GaN FET優(yōu)化的固定最小死區(qū)時(shí)間，并且 EPC9157 EVB 專門設(shè)計(jì)了外部低成本保護(hù)電路，以避免自舉電容器過(guò)度充電。不過(guò)，這又可能會(huì)限制實(shí)際的工作頻率。部分DC/DC IC供應(yīng)商會(huì)添加死區(qū)時(shí)間編程引腳或提供死區(qū)時(shí)間數(shù)字化編程。無(wú)論采用哪種方式，死區(qū)時(shí)間選擇的艱巨任務(wù)都落在電路設(shè)計(jì)人員肩上。未來(lái)，我們需要更智能的IC功能特性。
●增加靈活性以適應(yīng)各種GaN技術(shù)
與普通硅FET不同，各種GaN FET（包括增強(qiáng)型GaN FET）可能具有完全不同的設(shè)計(jì)。例如，建議的柵極電壓可能因制造商不同而差異很大，這會(huì)帶來(lái)麻煩，因?yàn)闁艠O電壓需要通過(guò)不同的OVP級(jí)別來(lái)保護(hù)。除了未來(lái)產(chǎn)品中的其他可能變量之外，柵極驅(qū)動(dòng)電壓也需要可編程。
GaN FET未來(lái)可期，終有一日，它會(huì)以更合理的成本和更出色的性能，直接替代硅FET。而像ISL81806這類控制器正在通過(guò)進(jìn)一步的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)助力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。如果控制器設(shè)計(jì)得當(dāng)，使用GaN FET會(huì)像使用硅FET一樣輕松自如。
（來(lái)源：面包板社區(qū) ，作者：Zhihong Yu）
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