如何讓電源適配器配得上你越來(lái)越小的便攜電腦
隨著便攜電腦的尺寸越來(lái)越小，重量越來(lái)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(shí)現(xiàn)小型化，來(lái)配得上越做越小的便攜電腦則成為一項(xiàng)必須考慮的問(wèn)題。
從功率器件發(fā)展來(lái)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(shí)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(méi)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(shí)間，功率器件的效率及尺寸的提升又繼續(xù)加速。在未來(lái)的十年，預(yù)計(jì)將在2025年再次提升3~5倍，另外，效率也會(huì)達(dá)到95%~99%。由此看來(lái)，新材料的發(fā)展會(huì)是功率器件發(fā)展的重要促進(jìn)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(lái)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(wú)法同時(shí)滿足速度和效率作為功率器件的兩大設(shè)計(jì)參考指標(biāo)。AllGaNTM通過(guò)配備新型拓?fù)洹性淬Q位反激 (ACF) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和新材料，并將驅(qū)動(dòng)和GaN集成到一起，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(dá)400MHz的開(kāi)關(guān)速度，其速度比典型的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)快了3至4倍，損耗降低40%，密度提高達(dá)5倍，系統(tǒng)成本也會(huì)下降20%，從而實(shí)現(xiàn)更小的尺寸和更低的成本。該設(shè)計(jì)完全符合歐盟CoC Tier 2及美國(guó)能源部6級(jí) (DoE VI) 所規(guī)范的能效標(biāo)準(zhǔn)，更在滿負(fù)載下實(shí)現(xiàn)超過(guò)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(tái)后，針對(duì)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(biāo)準(zhǔn)封裝?？紤]到成本問(wèn)題，納微單芯片GaN功率IC整個(gè)系列只用了這樣一個(gè)封裝方式。驅(qū)動(dòng)采用內(nèi)置驅(qū)動(dòng)，高壓信號(hào)輸入時(shí)，即可實(shí)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(guò)這樣的驅(qū)動(dòng)器整合，以軟開(kāi)關(guān)為例將單芯片GaN功率IC與硅器件對(duì)比的話，硅器件電壓上升速度很快，會(huì)有陰影。而采用單芯片GaN功率IC器件，開(kāi)關(guān)速度到1M時(shí)，開(kāi)關(guān)電壓為500V，由此可見(jiàn)，采用單芯片GaN功率IC器件完全沒(méi)有開(kāi)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(duì)比
半橋GaN功率IC是納微另一個(gè)系列，同樣驅(qū)動(dòng)一個(gè)軟開(kāi)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、無(wú)過(guò)沖的信號(hào)輸出。
圖4 半橋GaN功率IC與硅器件的對(duì)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(dòng)、死區(qū)時(shí)間及穩(wěn)壓器等，電路結(jié)構(gòu)相對(duì)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(dòng)到器件中，工程師設(shè)計(jì)時(shí)只需要兩片芯片就可以原來(lái)復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，因而設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔。
圖5 其他GaN做的電路設(shè)計(jì)圖
圖6 納微AllGaNTM實(shí)現(xiàn)的電路設(shè)計(jì)圖
65W USB-PD適配器參考設(shè)計(jì)
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(jì)，可以做不同電壓輸出及新型標(biāo)準(zhǔn)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(jì)，需要98-115cc(或6-7 in3)和重量達(dá)300g，基于AllGaN?功率IC的65W新設(shè)計(jì)體積僅為45cc(或2.7 in3)，而重量?jī)H為60g。基于參考設(shè)計(jì)的電源適配器的體積和重量?jī)H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(jì)
如此小的體積是否會(huì)影響散熱呢?由于采用軟開(kāi)關(guān)形式，開(kāi)關(guān)損耗是沒(méi)有的，只需要考慮導(dǎo)通損耗。而通過(guò)方案設(shè)計(jì)，整個(gè)效率得到提高，從而使封裝不用設(shè)計(jì)的像硅的那么大，也就是說(shuō)，整體方案設(shè)計(jì)又可以降低導(dǎo)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(jì)
納微半導(dǎo)體銷售和營(yíng)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(xì)小，并且價(jià)格實(shí)惠。電源的設(shè)計(jì)人員面臨幾個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，一直到成本等相關(guān)問(wèn)題。納微的單芯片GaN功率IC可同時(shí)達(dá)到高速運(yùn)作及高效率，其設(shè)計(jì)的方案滿足所有這些挑戰(zhàn);與舊式慢速基于硅的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)相比，成本相近甚至更低?！?/p>
納微的未來(lái)優(yōu)勢(shì)及未來(lái)發(fā)展規(guī)劃
采用GaN-on-Si晶圓標(biāo)準(zhǔn)的CMOS，GaN epi反應(yīng)器只需6個(gè)月就可以完成交貨。未來(lái)Navitas會(huì)繼續(xù)大力關(guān)注中國(guó)市場(chǎng)，以為工程師設(shè)計(jì)相關(guān)方案提供技術(shù)支持。器件采用標(biāo)準(zhǔn)工藝及設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)QFN封裝，Navitas先進(jìn)的高速最終測(cè)試只需3個(gè)月就可以完成交貨，未來(lái)還將繼續(xù)擴(kuò)大供應(yīng)鏈合作伙伴，包括在中國(guó)建立設(shè)計(jì)研發(fā)中心，幫助中國(guó)工程師實(shí)現(xiàn)更完美的設(shè)計(jì)。
圖9 納微共同創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Gene Sheridan
當(dāng)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(jí)，都是我們的目標(biāo)市場(chǎng)。消費(fèi)類產(chǎn)品只是我們的切入點(diǎn)，如果消費(fèi)類產(chǎn)品沒(méi)有問(wèn)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(jìn)入，納微也歡迎行業(yè)良性競(jìng)爭(zhēng)，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(huì)繼續(xù)推出新產(chǎn)品來(lái)滿足廣大工程師設(shè)計(jì)需求。
