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如何让电源适配器配得上你越来越小的便携电脑

作者:乔北时间:2017-09-15来源:电子产品世界

  随着便携电脑的尺寸越来越小,重量越来越轻,曾经作为电脑的“小尾巴”的如今似乎要叫“大尾巴”了!如何实现小型化,来配得上越做越小的便携电脑则成为一项必须考虑的问题。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201709/364368.htm

  从功率器件发展来看,从NPN型功率器件发展到MOS管功率器件只用了大概10年的时间,功率器件的尺寸缩小了5倍;而在使用硅MOS管的30年期间,器件的尺寸并没有提升很多,效率虽然有10%的提升,但是器件尺寸缩小还不到10%;直到包括GaN在内的新材料出现后,不到3年的时间,功率器件的效率及尺寸的提升又继续加速。在未来的十年,预计将在2025年再次提升3~5倍,另外,效率也会达到95%~99%。由此看来,新材料的发展会是功率器件发展的重要促进因素之一。

  图1 功率器件的发展

  作为世界上第一家也是唯一的氮化镓(GaN)功率IC公司,(Navitas)也正是看到了这一发展规律,最先采用新型GaN功率芯片——AllGaNTM。新型功率芯片为功率器件带来了速度和效率两方面的提升。

  由于硅材料的结构特性所限,一直无法同时满足速度和效率作为功率器件的两大设计参考指标。AllGaNTM通过配备新型拓扑——有源钳位反激 (ACF) 拓扑结构和新材料,并将驱动和GaN集成到一起,从而实现开关速度和效率两者的共同提升。新功率器件可以提供高达400MHz的开关速度,其速度比典型的转换器设计快了3至4倍,损耗降低40%,密度提高达5倍,系统成本也会下降20%,从而实现更小的尺寸和更低的成本。该设计完全符合欧盟CoC Tier 2及美国能源部6级 (DoE VI) 所规范的能效标准,更在满负载下实现超过94%的最高尖峰效率。

图2 AllGaNTM功率IC器件结构

单芯片GaN功率IC与半桥GaN功率IC

  在推出AllGaNTM平台后,针对新型材料GaN先后推出了两类功率IC,即单芯片GaN功率IC和半桥芯片GaN功率IC。

  单芯片GaN功率IC是一款在650V下的单片式集成产品。该款产品采用5mm x 6mm QFN标准封装。考虑到成本问题,纳微单芯片GaN功率IC整个系列只用了这样一个封装方式。驱动采用内置驱动,高压信号输入时,即可实轻松现功率转换。纳微共同创始人兼首席执行官Gene Sheridan介绍称,通过这样的驱动器整合,以软开关为例将单芯片GaN功率IC与硅器件对比的话,硅器件电压上升速度很快,会有阴影。而采用单芯片GaN功率IC器件,开关速度到1M时,开关电压为500V,由此可见,采用单芯片GaN功率IC器件完全没有开关损耗, EMI性能也很好。

  图3 单芯片GaN功率IC与硅器件的对比

  半桥GaN功率IC是纳微另一个系列,同样驱动一个软开关模型(600V/2MHz)效果如图4所示,由图4可以看出,半桥GaN功率IC基本上可以实现稳定、无过冲的信号输出。

图4 半桥GaN功率IC与硅器件的对比

  如果应用分立器件做功率芯片,需要多元器件,包括用于隔离电源、隔离驱动、死区时间及稳压器等,电路结构相对复杂。而如果用纳微的AllGaNTM,由于其中已经集成除控制芯片之外的所有驱动到器件中,工程师设计时只需要两片芯片就可以原来复杂的电路设计,因而设计简洁。

  图5 其他GaN做的电路设计图

图6 纳微AllGaNTM实现的电路设计图

65W USB-PD适配器参考设计

  作为本次纳微发布的最新方案——65W USB-PD适配器参考设计,可以做不同电压输出及新型标准的。高频及高效的AllGaN™功率IC,可缩小变压器、滤波器和散热器的尺寸、减轻重量和降低成本。相比现有的基于硅类功率器件的设计,需要98-115cc(或6-7 in3)和重量达300g,基于AllGaN™功率IC的65W新设计体积仅为45cc(或2.7 in3),而重量仅为60g。基于参考设计的电源适配器的体积和重量仅为现在市面上普遍在用的基于硅的便携电脑的65W适配器的五分之一。

图7 左为联想笔记本适配器,由为纳微参考设计

  如此小的体积是否会影响散热呢?由于采用软开关形式,开关损耗是没有的,只需要考虑导通损耗。而通过方案设计,整个效率得到提高,从而使封装不用设计的像硅的那么大,也就是说,整体方案设计又可以降低导通损耗,因而一般情况可以忽略。

图8 纳微65W USB-PD适配器参考设计

  纳微半导体销售和营销副总裁Stephen Oliver表示:“笔记本电脑的电源适配器终于和它所充电的笔记型电脑一样变得轻薄细小,并且价格实惠。电源的设计人员面临几个相冲突的业界挑战,从新的USB Type C连接和USB PD (电力输送) 的输出是否符合法定的能效标准,一直到成本等相关问题。纳微的单芯片GaN功率IC可同时达到高速运作及高效率,其设计的方案满足所有这些挑战;与旧式慢速基于硅的半导体设计相比,成本相近甚至更低。”

纳微的未来优势及未来发展规划

  采用GaN-on-Si晶圆标准的CMOS,GaN epi反应器只需6个月就可以完成交货。未来Navitas会继续大力关注中国市场,以为工程师设计相关方案提供技术支持。器件采用标准工艺及设备的标准QFN封装,Navitas先进的高速最终测试只需3个月就可以完成交货,未来还将继续扩大供应链合作伙伴,包括在中国建立设计研发中心,帮助中国工程师实现更完美的设计。

图9 纳微共同创始人兼首席执行官Gene Sheridan

  当谈及纳微产品是否可以应用到其他领域,Gene Sheridan表示,单芯片GaN功率IC与半桥GaN功率IC不仅可以用于,基本上可以用于所有AC-DC电源应用,从20W到千W级,都是我们的目标市场。消费类产品只是我们的切入点,如果消费类产品没有问题,基本上就可以应用到所有其他类型产品。另外,如果要有其他企业进入,纳微也欢迎行业良性竞争,现在我们的产品比同类产品领先至少两到三年,我们也会继续推出新产品来满足广大工程师设计需求。



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