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    基于GaN的功率晶體管和集成電路硅分立功率器件

    電子設計 ? 來源:powerelectronicsnews ? 作者:Alex Lidow ? 2021-04-23 11:27 ? 次閱讀

    過去的四十年中,隨著功率MOSFET結構,技術和電路拓撲的創新與不斷增長的電力需求保持同步,電源管理效率和成本穩步提高。然而,在新的千年中,隨著硅功率MOSFET接近其理論極限,改進速度已大大降低。同時,一種新材料氮化鎵(GaN)朝著理論性能極限的方向穩步發展,該性能極限是老化的MOSFET的6000倍,是當今市場上最好的GaN產品的300倍(圖) 1)。

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    圖1:一平方毫米器件的理論導通電阻與基于Si和GaN的功率器件的阻斷電壓能力之間的關系。第4代(紫色點)和第5代(綠色星號)說明了GaN當前的最新性能。

    起點

    EPC的增強型氮化鎵(eGaN?)FET已有十(10)年的生產歷史,第五代器件的尺寸僅為第四代器件的一半,速度快兩倍,并且價格與MOSFET?;贕aN的功率晶體管集成電路的早期成功最初源于GaN與硅相比的速度優勢。GaN-on-Si晶體管的開關速度比MOSFET快10倍,比IGBT快100倍。

    諸如4G / LTE基站的RF包絡跟蹤以及用于自動駕駛汽車,機器人,無人機和安全系統的光檢測和測距(激光雷達)系統等應用是充分利用GaN高速交換能力的首批應用。隨著這些早期應用的成功,GaN功率器件的產量不斷增長,現在的價格與開關速度較慢且額定功率更大的MOSFET組件的價格相當(圖2)。

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    圖2:與等效功率MOSFET相比,額定100 V的eGaN FET的分銷商定價調查結果。eGaN FET價格顯示在紅色橢圓形內。

    加速采用GaN功率器件

    隨著價格競爭力的跨越,更傳統的大批量應用已開始采用GaN解決方案。電源設計人員認識到,eGaN FET可以為更高密度和更高效的48 V DC-DC電源做出重大貢獻,而高密度計算應用則需要云計算,人工智能,機器學習和游戲應用。

    汽車公司還開始在輕度混合動力汽車中采用48 V配電總線配電拓撲。這些汽車制造商的要求是針對48 V – 14 V雙向轉換器。它們還必須高效,可靠且具有成本效益。在接下來的兩到三年內,將為其中幾種系統設計的eGaN FET將出現在汽車上。

    超越分立功率器件

    除了性能和成本提高外,GaN半導體技術影響功率轉換市場的最大機會還在于其將多個器件集成在單個襯底上的內在能力。與標準硅IC技術相比,GaN技術使設計人員能夠以比僅使用硅技術更直接,更經濟的方式在單個芯片上實現單片電源系統。

    使用硅基氮化鎵襯底制造的集成電路已經生產了五年以上。從那時起,基于GaN的IC經歷了集成的各個“階段”,從最初的純分立器件到單片半橋組件,再到包括其自己的單片集成驅動器的FET,最近又發展到完全單片功率級,包含功率FET,驅動器,電平轉換電路,邏輯和保護。

    在2019年初,驅動器功能和單片半橋與電平轉換器,同步升壓電路,保護和輸入邏輯一起合并到單個GaN-on-Si襯底上,如圖3(a)和3(b)所示)。這個完整的功率級ePower?Stage可以以幾兆赫茲的頻率驅動,并由一個簡單的以地為參考的CMOS IC控制,并且只需添加幾個無源元件,就可以成為一個完整的DC-DC穩壓器。圖4顯示了在48 VIN– 12 VOUT降壓轉換器中,該單片功率級在1 MHz和2.5 MHz時的效率。

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    圖3:(a)尺寸為3.9 mm x 2.6 mm的EPC2152單片ePower平臺的圖像,以及(b)等效電路圖

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    圖4:使用EPC2152單片ePower Stage IC在1 MHz和2.5 MHz頻率下,48 VIN– 12 VOUT降壓轉換器的效率與輸出電流的關系,與使用分立式GaN晶體管和半硅片的相同電路的性能相比橋驅動器IC。

    ePower?Stage可替換至少三個分立組件;柵極驅動器加上兩個FET,使設計和制造更加容易。與圖5所示的分立實施方案相比,這種單片GaN IC節省了至少33%的印刷電路板空間。該器件使設計人員可以輕松利用GaN技術帶來的顯著性能改進。集成的單片組件(例如ePower Stage)更易于設計,更易于布局,更易于組裝,節省了PCB上的空間并提高了效率。

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    圖5:48 V – 12 V降壓轉換器的功率級分立實施與單片ePower?Stage實施的比較。集成可在PCB上節省33%的空間。

    GaN功率組件之旅仍在繼續…

    上一部分中討論的單片功率級IC具有與基于硅MOSFET的多芯片DrMOS模塊相同的基本功能,但電壓更高,開關速度更高,成本更低且占地面積更小。但是,這僅僅是GaN-on-Si器件集成機會的開始。這些第一代功率級僅包括電容器,電阻器和橫向n溝道FET。很快,就可以將電流和溫度的額外檢測與參考,比較器運算放大器之類的電路模塊一起添加,以在單個芯片上構建集成的控制器以及輸出級。還可以集成多級電源轉換拓撲,從而可以用較低電壓的功率器件實現較高的輸入電壓。

    最終,p通道器件也將基于目前正在開發的許多有希望的結構之一進行單片集成。一旦可以集成互補的n通道和p通道設備,CMOS電路將成為可能,從而實現更高效的驅動器和邏輯電路。

    通過進入30 MHz以上的極高頻率,無源組件的尺寸變得如此之小,以至于有可能將完整電源轉換器所需的所有組件集成在單個芯片上。從簡單的分立式GaN FET開始的旅程正在穩步向完整的片上系統解決方案邁進(圖6)。

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    圖6:eGaN技術從離散到完全集成的片上系統解決方案的歷史和計劃發展

    編輯:hfy

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      Integrated MAX20030和MAX20031汽車降壓控制器是2.2MHz雙路同步降壓控制器,集成了預升壓控制器和低I LDO。該預升壓控制器支持V和V在冷啟動操作期間保持穩壓,直至電池輸入低至2V。MAX20030和MAX20031設有兩個高壓同步降壓控制器,可在180°異相下工作。這些器件的輸入 電壓為3.5V至42.0V,可通過97%占空比在低壓差條件下運行。這些降壓控制器非常適合用于可在寬輸入電壓范圍(如汽車冷啟動或發動機停止啟動條件)內工作,具有中高功率要求的應用。 MAX20030和MAX20031降压控制器的工作频率高达2.2MHz,支持使用小型外部元件,减少输出纹波,并消除AM频段干扰。开关频率可通过电阻器在220kHz至2200kHz范围内฀...
      發表于 11-10 11:07 ? 236次 閱讀

      MAX16926GTP/V+ Maxim Integrated MAX16926汽車顯示器電源解決方案

      Integrated MAX16926汽車顯示器電源解決方案是一款4通道電源管理IC。MAX16926設計用于安裝現代汽車TFT顯示器中使用的主電源軌。MAX16926和MAX20069 TFT電源和LED背光驅動器可以為汽車顯示器電源要求提供雙芯片解決方案。 特性 高度集成 集成式看门狗定时器 高度可靠、低EMI 应用 信息娱乐系统显示屏 中央信息显示屏 仪表盘...
      發表于 11-10 09:07 ? 185次 閱讀

      STPSC2H065B-TR STMicroelectronics STPSC 650V肖特基碳化硅二極管

      oelectronics STPSC 650V肖特基碳化硅二極管是一款超高性能功率肖特基二極管。該器件采用寬帶隙材料,可以設計具有650V額定電壓的肖特基二極管結構。得益于肖特基結構,在關閉時不會顯示恢復,且振鈴模式可以忽略不計。即使是最輕微的電容式關斷特性也不受溫度影響。這些器件特別適用于PFC應用,它們可以提高硬開關條件下的性能。高正向浪涌能力確保在瞬態階段具有良好的穩健性。 STPSC12065-Y和STPSC20065-Y器件符合AEC-Q101标准,可用于汽车应用。STPSC12065-Y和STPSC20065-Y是支持PPAP且符合ECOPACK®2标准的元件。 特性 无反向恢复或可忽略不&...
      發表于 11-09 12:07 ? 153次 閱讀

      MAX20766EPE+ Maxim Integrated MAX20766智能從設備IC

      Integrated MAX20766智能從設備IC設計用于用于搭配Maxim第七代控制器使用,實現高密度多相穩壓器。多達六個智能從設備集成電路加一個控制器集成電路,組成緊湊的同步降壓轉換器,它可以通過SMBus/PMBus?實現精確的單獨相電流和溫度報告。 Maxim MAX20766智能从设备IC为过热、VX短路和所有电源UVLO故障提供多种保护电路。如果检测到故障,则该器件立即关断,并向控制器IC发送信号。 MAX20766采用16引脚FCQFN封装(具有裸露的顶部散热焊盘)。顶部散热改善...
      發表于 11-09 09:07 ? 194次 閱讀

      ICS-40730 TDKInvenSenseICS40730低噪聲麥克風

      venSense ICS-40730低噪聲麥克風是一款差分模擬輸出、底部端口式微機電系統 (MEMS) 麥克風。ICS-40730集成有MEMS麥克風元件、阻抗轉換器、差分輸出放大器和增強型射頻封裝。該款低噪聲麥克風具有高達74dBA的SNR、-32dBV差分靈敏度、-38dBV單端靈敏度、124dB SPL聲學過載點以及±2dB靈敏度容差。典型應用包括智能家居設備、智能手機、電話會議系統、安防、監控、麥克風陣列、語音控制和激活。 特性 74dBA超高SNR 灵敏度: -32dBV差分灵敏度 -38dBV单端灵敏度 ±2dB灵敏度容差 非反相信号输出 25Hz至20kHz扩展频率响应 增强的射频性能 285µA电流消耗 124dB SPL...
      發表于 11-09 09:07 ? 339次 閱讀

      MAX22025AWA+ Maxim Integrated MAX2202x/F隔離式RS-485/RS-422收發器

      Integrated MAX2202x/F隔離式RS-485/RS-422收發器可在器件的電纜側(RS-485/RS-422驅動器/接收器側)和UART側之間提供3.5kVRMS數字電流隔離。當兩個端口之間存在較大的接地電位差時,隔離通過中斷接地環路來改善通信,并降低噪聲。這些器件允許高達0.5Mbps或16Mbps的穩健通信。 MAX2202x/F隔离式RS-485/RS-422收发器具有Maxim专有的AutoDirection控制功能,因此非常适合用于隔离式RS-485端口等应用,其中驱动器输入与驱动器使能信号搭配使用以驱动差分总线。 MAX22025、MAX22027、MAX22025F和MAX22027F具有较低压&#...
      發表于 11-09 09:07 ? 280次 閱讀

      ICS-40212 TDKInvenSenseICS40212模擬麥克風

      venSense ICS-40212模擬麥克風是一款微機電系統 (MEMS) 麥克風,具有極高動態范圍和低功耗常開模式。該麥克風包含MEMS麥克風元件、阻抗轉換器和輸出放大器。ICS-40212在電源電壓低于2V且工作電流為55μA時,采用低功耗工作模式。 ICS-40212麦克风具有128dB声压级 (SPL) 声学过载点(高性能模式下)、±1dB的严密灵敏度容差以及35Hz至20kHz扩展频率响应。该麦克风采用底部端口表面贴装封装,尺寸为3.5mm x 2.65mm x 0.98mm。典型应用包括智能手机、照相机和摄像机...
      發表于 11-09 09:07 ? 619次 閱讀

      ICS-40638 TDKInvenSenseICS40638AOP模擬MEMS麥克風

      venSense ICS-40638高聲學過載點 (AOP) 模擬MEMS麥克風(帶差分輸出)具有極高的動態范圍,工作溫度高達105°C。ICS-40638包括一個MEMS麥克風元件、一個阻抗轉換器和一個差分輸出放大器。該麥克風具有138dB聲壓級 (SPL) 聲學過載點、±1dB小靈敏度容差以及對輻射和傳導射頻干擾的增強抗擾度。該系列具有35Hz至20kHz擴展頻率響應,采用緊湊型3.50mm × 2.65mm × 0.98 mm底部端口表面貼裝封裝。TDK InvenSense ICS-40638 AOP模擬MEMS麥克風應用包括汽車、相機和攝像機以及物聯網 (IoT) 設備。 特性 差分非反向模拟输出 灵敏度:-43dBV(差分) 灵敏度容差:±1dB 35Hz至20kHz扩展频率响应 增强的射频抗扰度 PSRR:−81dB 3.50...
      發表于 11-06 09:07 ? 376次 閱讀

      DK-42688-P TDKInvenSenseDK42688P評估板

      venSense DK-42688-P評估板是用于ICM-42688-P高性能6軸運動傳感器的全面開發平臺。該評估板設有用于編程和調試的板載嵌入式調試器和用于主機接口的USB連接器,可支持軟件調試和傳感器數據記錄。DK-42688-P平臺設計采用Microchip G55 MCU,可用于快速評估和開發基于ICM-42688-P的解決方案。TDK InvenSense DK-42688-P評估板配有必要的軟件,包括基于GUI的開發工具InvenSense Motion Link,以及用于ICM-42688-P的嵌入式運動驅動器。 特性 用于ICM-42688-P 6轴运动传感器 带512KB闪存的Microchip G55 MCU 用于编程和调试的板载嵌入式调试器 用于主机接口的USB连接器 通过USB连接的电路板电源 ...
      發表于 11-06 09:07 ? 276次 閱讀

      STM32L4P5AGI6 STMicroelectronics STM32L4P5/STM32L4Q5 32位微控制器 (MCU)

      oelectronics STM32L4P5/STM32L4Q5 32位微控制器 (MCU) 不僅擴展了超低功耗產品組合,還提高了產品性能,采用Arm? 樹皮-M4內核(具有DSP和浮點單元 (FPU),頻率為120MHz)。STM32L4P5產品組合具有512KB至1MB閃存,采用48-169引腳封裝。STM32L4Q5具有1MB閃存,提供額外加密加速器引擎(AES、HASH和PKA)。 特性 超低功率,灵活功率控制 电源:1.71V至3.6V 温度范围:-40°C至85°C或-40°C至125°C 批量采集模式(BAM) VBAT模块中150nA:为RTC和32x32位储备寄存器供电 关断模式下,22nA(5个唤醒引脚ʌ...
      發表于 11-06 09:07 ? 288次 閱讀

      ICS-52000 TDKInvenSenseICS52000帶TDM數字輸出的低噪聲麥克風

      venSense ICS‐52000是一款低噪聲數字TDM輸出底部端口麥克風,采用4mm × 3mm × 1mm小尺寸表面貼裝封裝。 ?該器件由MEMS傳感器、信號調理、模數轉換器、抽取和抗混疊濾波器、電源管理以及行業標準的24位TDM接口組成。 借助TDM接口,包括多達16個ICS‐52000麥克風的陣列可直接連接諸如DSP和微控制器等數字處理器,無需在系統中采用音頻編解碼器。 陣列中的所有麥克風都同步對其聲信號進行采樣,從而實現精確的陣列處理。 ICS‐52000具有65dBA的高SNR和寬帶頻率響應。 靈敏度容差為±1dB,可實現無需進行系統校準的高性能麥克風陣列。 ICS-52000具有兩種電源狀態:正常運行和待機模式。 該麥克風具有軟取消靜音功能,可防止上電時發出聲音。 從ICS-52000開始輸出數據時開始,音量將在256WS時鐘周期內上升到滿量程輸出電平。 采樣率為48kHz,該取消靜音序列大約需要5.3ms。 The ICS‐52000 features a high SNR of 65dBA and a wideband frequency response. The sensitivity tolerance is ±1dB enabling high‐performance micropho...
      發表于 11-05 17:07 ? 181次 閱讀

      IAM-20380 TDKInvenSenseIAM20380高性能陀螺儀

      venSense IAM-20380高性能陀螺儀具有0.5VDD至4V電壓范圍、400kHz時鐘頻率以及-40°C至+85°C工作溫度范圍。IAM-20380具有3軸集成,因此制造商無需對分立器件進行昂貴且復雜的系統級集成。TDK InvenSense IAM-20380高性能陀螺儀非常適合用于汽車報警器、遠程信息處理和保險車輛追蹤應用。 特性 数字输出X、Y和Z轴角速率传感器(陀螺仪) 用户可编程满量程范围为±250dps、±500dps、±1000dps和±2000dps 集成16位ADC 用户可编程数字滤波器,用于陀螺仪和温度传感器 按照AEC-Q100执行&...
      發表于 11-03 10:07 ? 242次 閱讀

      MPF5024AMMA0ES NXP Semiconductors PF502x電源管理集成電路

      502x電源管理集成電路 (PMIC) 在一個器件中集成了多個高性能降壓穩壓器。PF502x PMIC既可用作獨立的負載點穩壓器IC,也可用作較大PMIC的配套芯片。 NXP PF502x电源管理集成电路 (PMIC) 具有用于关键启动配置的内置一次性可编程 (OTP) 存储器存储。借助该OTP特性,可减少通常用于设置输出电压和稳压器序列的外部元件数量,从而打造时尚器件。启动后,稳压器参数可通过高速I2C进行&#...
      發表于 11-02 12:06 ? 308次 閱讀

      T3902 TDKInvenSenseT3902低功耗多模麥克風

      vensense T3902低功耗多模麥克風具有185μA至650μA電流范圍、36Hz至>20kHz額定頻率以及3.5mm × 2.65mm × 0.98mm表面貼裝封裝。T3902麥克風由一個MEMS麥克風元件和一個阻抗轉換器放大器,以及之后的一個四階調制器組成。T3902系列具有高性能、低功耗、標準和睡眠等工作模式。TDK Invensense T3902低功耗多模麥克風非常適合用于智能手機、相機、平板電腦以及安全和監控應用。 特性 3.5mm × 2.65mm × 0.98mm表面贴装封装 低功耗模式:185µA 扩展频率响应:36Hz至>20kHz 睡眠模式电流:12µA 高电源抑制 (PSR):-97dB FS 四阶∑-Δ调制器 数字脉冲密度调制 (PDM) 输...
      發表于 10-30 11:06 ? 286次 閱讀

      ICS-40740 TDKInvenSenseICS40740超低噪聲麥克風

      venSense ICS-40740超低噪聲麥克風具有超低噪聲、高動態范圍、差分模擬輸出和1個底部端口。TDK InvenSense ICS-40740器件采用MEMS麥克風元件、阻抗轉換器、差分輸出放大器和增強型射頻封裝。ICS-40740器件具有70dB SNR和±1dB靈敏度容差,因此非常適合用于麥克風陣列和遠場語音控制應用。 特性 70d BA信噪比 -37.5dBV灵敏度 ±1dB灵敏度容差 4mm x 3mm x 1.2mm表面贴装封装 80Hz至20kHz扩展频率响应 165µA电流消耗 132.5dB SPL声学过载点 -87d BV PSR 兼容无锡/铅和无铅焊接工艺 符合RoHS指令/WEEE标准 ...
      發表于 10-30 10:06 ? 380次 閱讀

      IAM-20680 TDKIAM20680 MEMSMotion Tracking器件

      venSense IAM-20680 6軸MotionTracking器件在3mm x 3mm x 0.75mm的小尺寸封裝中集成了3軸陀螺儀和3軸加速度計。IAM-50680器件具有片上16位ADC、可編程數字濾波器、嵌入式溫度傳感器和可編程中斷。TDK InvenSense IAM-20680 6軸MotionTracking器件非常適合用于360°視角相機穩定、汽車報警器和遠程信息處理應用。 特性 數字輸出X、Y和Z軸角速率傳感器(陀螺儀) 用戶可編程滿量程范圍為±250dps、±500dps、±1000dps和±2000dps,集成16位ADC 數字輸出X、Y和Z軸加速度計,具有±2g、±4g、±8g和±16g的可編程滿量程范圍,集成16位ADC 用戶可編程數字濾波器,用于陀螺儀、加速度計和溫度傳感器 自檢功能 喚醒運動中斷,用于應用處理器的低功耗運行 按照AEC-Q100執行的可靠性測試 按要求提供PPAP和認證數據 應用 導航系統航位推算輔助功能 ...
      發表于 10-29 13:06 ? 639次 閱讀
      IAM-20680 TDKIAM20680 MEMSMotion Tracking器件

      MAXM17720AMB+ Maxim Integrated MAXM17712/20/24 PMIC

      Integrated MAXM17712/20/24電源管理專用IC (PMIC) 是喜馬拉雅微型系統級IC (µSLIC) 電源模塊,可實現散熱更好、尺寸更小、更加簡單的電源解決方案。這些IC將高效率150 mA同步降壓直流-直流轉換器和高PSRR、低噪聲、50mA線性穩壓器集成到µSLIC™電源模塊中。該PMIC在4V至60V寬輸入電壓范圍內工作。該降壓轉換器和線性穩壓器可提供高達150mA和50mA輸出電流。 直流-直流轉換器的輸出用作線性穩壓器的輸入。這些線性穩壓器在不同模塊中提供1.2V至3.3V固定輸出電壓。MAXM17712/20/24模塊采用薄型設計,采用2.6mmx3mmx1.5mm µSLIC封裝。典型應用包括工業傳感器、暖通空調和樓宇控制、電池供電設備以及LDO替代品。 特性 易于使用: 4V至60V寬輸入降壓轉換器 可調節及固定的輸出電壓模塊 內部電感器和補償 降壓轉換器輸出電流高達150mA 線性穩壓器輸出的精度為±1.3%,FB精度為±2% 全陶瓷電容器、緊湊布局 ...
      發表于 10-29 13:06 ? 180次 閱讀
      MAXM17720AMB+ Maxim Integrated MAXM17712/20/24 PMIC

      MAX40027ATC/VY+ Maxim Integrated MAX40027雙路高速比較器

      MAX40027雙路高速比較器具有280ps典型傳播延遲。這些比較器具有極低過驅分散(25ps,典型值),因此非常適合用于飛行時間、距離測量應用。該器件的輸入共模范圍為1.5V至V+ 0.1V,與MAX40658、MAX40660和MAX40661等多個廣泛使用的高速跨阻放大器的輸出擺幅兼容。輸出級為LVDS(低壓差分信號),有助于最大限度地降低功耗,直接與諸多FPGA和CPU連接?;パa輸出有助于抑制每個輸出線上的共模噪聲。MAX40027采用小型、節省空間的3mm x 2mm、12引腳TDFN封裝,帶側面可濕性側翼,符合AEC-Q100汽車級認證要求。MAX40027的工作溫度范圍為-40°C至+125°C,可在2.7V至3.6V電源電壓下工作。 特性 快速傳播延遲:280ps(典型值) 低過驅色散:25ps(VOD=10mV至1V)  電源電壓:2.7V至3.6V 2.7V電源時45.9mw(每個比較器) 節能型LVDS輸出 溫度范圍:-40°C至+125°C 符合汽車類AEC-Q100標準 小型3mm x 2mm TDFN封裝,帶可濕性側翼 ...
      發表于 10-29 13:06 ? 155次 閱讀
      MAX40027ATC/VY+ Maxim Integrated MAX40027雙路高速比較器

      LPC55S66JBD64K NXP Semiconductors LPC55S6x Arm? Cortex?-M33微控制器

      miconductors LPC55S6x Arm Cortex-M33微控制器 (MCU) 采用Arm雙核和Arm TrustZone 技術,適用于工業、樓宇自動化、物聯網 (IoT) 邊緣計算、診斷設備和消費電子應用。這些器件基于Armv8-M架構,采用低功耗40nm嵌入式閃存工藝,具有先進的安全特性。 LPC55S6x微控制器具有一套独特的安全模块,可为嵌入式系统提供层保护,同时保护最终产品在整个生命周期内免受未知或意外的威胁。这些块包括基于可信根和配置的SRAM PUF、来自加密图像的实时执行&...
      發表于 10-29 13:06 ? 268次 閱讀
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