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對于 48V 電源系統中的 GaN FET 應用，現有的一種方法是使用基于 DSP 的數字解決方案來實現高頻和高效率設計。這在很大程度上是由于缺乏設計用于GaN FET的合適控制器的可用性。DSP 解決方案需要額外的 IC，這會增加額外的復雜性和挑戰。在本文中，作者介紹了一種兼容 GaN FET 的模擬控制器，該控制器的物料清單數量少，使設計人員能夠像使用硅 FET 一樣簡單地設計同步降壓轉換器，并提供卓越的性能。
眾所周知，與傳統的硅 FET 相比，氮化鎵 (GaN) FET 已顯示出卓越的電路內性能。由于 GaN FET 的高效率，產生的熱量更少，系統成本也可以大大降低。然而，構建商用電源的公司在使用 GaN FET 進行大規模生產時面臨著幾個挑戰。以下是我們從客戶那里聽到的一些示例：
“基于 GaN FET 的設計與我們使用硅 FET 所做的完全不同?！?（電源制造商）
“使用 GaN 需要數字控制，我們對此猶豫不決；設計模擬電路更容易，成本更低，這是我們知道如何做的事情?！?（電信公司）
“GaN FET 即將到來，它們將具有重要意義。如果我們可以開始縮小散熱器的尺寸，那將是一件大事，但問題是我們需要一個微控制器來配合它?！?(家電廠商)
許多設計工程師已經看到了使用 GaN FET 的好處。然而，他們一直猶豫是否將 GaN 引入實際設計，主要是因為設計復雜。隨著 GaN FET 成本的降低，相對于硅 FET 的更高成本可以通過系統級節省來抵消。如果我們假設客戶永遠是對的，那么我們將如何幫助他們？
在瑞薩，我們正在 48V 系統中使用 100V GaN FET 來解決這個問題。本文將探討這種方法以及如何以與以前的方法完全不同的方式解決客戶問題。
自從開發了電話設備以來，電信和無線基礎設施應用通常使用 48V 直流電源運行。近年來，數據中心和高端汽車系統也開始采用 48V，因為它仍然被認為是安全的低電壓，安全要求要低得多，但允許使用具有最小電壓降的更細規格的電線。已發表多篇文章來討論快速新興的 48V 市場 1。
圖 1 顯示了 5G AAU（有源天線單元）的典型電源樹圖。 從系統的 -48V 輸入總線，DC/DC 轉換為數百瓦或千瓦級，將 -48V 轉換為 +28V，或+48V~+56V，饋入大功率放大器陣列。轉換后的正電壓還可以創建 12V 或 5V 總線來饋送其他系統負載，例如時序/時鐘、存儲器、ASIC/FPGA 等。（如果 -48V 已經與主電源隔離，例如交流電或可再生能源）。顯然，隨著5G市場的快速興起，AAU和BBU（Base Band Unit，未顯示）在不同功率等級的多次48V轉換，具有巨大的市場潛力。投資 80V 或 100V 額定 GaN FET 來取代傳統的硅 FET 符合 GaN 制造商的最大利益。
在無線基礎設施應用中采用 GaN 的一些潛在好處包括提高系統效率、最小化解決方案尺寸、降低電力成本和簡化熱管理。特別是對于 5G AAU，它甚至可以減輕系統重量，考慮到更分散且有時具有挑戰性的安裝，這可能很重要。
圖 1：典型的 5G AAU 電源樹圖（未顯示交流電源）
詳細的電源架構取決于站點類型、覆蓋范圍、位置以及與電網或遠程電源的距離。
之前發布的使用 GaN FET 方法的 48V 總線電源轉換參考設計來自最著名的 GaN FET 公司之一，Efficient Power Conversion (EPC)，EPC9143（見圖 2）。整個設計是開源的2。
此參考設計基于行業標準的 1/16 磚轉換器占位面積，可從 18V 輸入轉換為 60V，并基于兩相交錯配置轉換為額定電流為 25A 的 12V 輸出。除了 EPC GaN FET 之外，該設計還使用了一個 16 位數字控制器，運行頻率為 500kHz，并提供 >95% 的峰值效率（該控制器具有一個 DSP 內核和額外的模擬部分，為簡單起見，我們將其稱為 DSP文章）。
圖 2：帶有 DSP 控制器的 EPC9143 參考設計，頂部和底部
雖然此設計無疑提供了非常令人印象深刻的性能，但我們的團隊注意到它還使用了其他六個集成電路 (IC)，如圖 2 參考設計所示。
使用許多數字電源控制器，用戶可以靈活地重新編程輸出電壓和保護閾值，并且可以添加其他所需的功能。然而，對于某些 48V 應用，一旦設計確定，就不需要對這些配置重新編程，因此控制調制器可以以模擬方式設計，與數字方式一樣有效。在瑞薩，我們開始考慮是否可以將 EPC9143 中所需的 7 個 IC 組合和替換，僅用一個模擬 IC，并且仍然達到類似的性能。雖然 DSP 解決方案幾乎實現了 GaN FET 設計的最大潛力，其效率遠高于硅 FET，但通過更簡單的 BOM 實現相同的目標將為客戶提供更高的功率密度和更低的解決方案成本，這與效率一樣重要。
在簡化產品定義、IC 設計和全面驗證工作之后，瑞薩電子開發了一款 80V 雙路同步降壓控制器，專門優化用于驅動 E 模式 GaN FET，即 ISL81806（圖 3）。
圖 3：ISL81806 80V 雙輸出/兩相 GaN FET 控制器
ISL81806 采用兩相交錯拓撲結構，最多可并聯成六個交錯相以承擔千瓦級負載，而無需外部數字控制來分配相位。
其他功能包括：
寬輸入電壓范圍：4.5V 至 80V – 允許電信應用
寬 Vout 范圍：0.8V 至 76V
支持恒壓或恒流輸出
寬開關頻率：100Khz 至 2MHz
直通保護、OCP、OVP、OTP、UVP
每個輸出的獨立 EN 和軟啟動
針對增強型 GaN FET 優化的柵極驅??動和死區時間
EPC 和瑞薩電子開發了一種名為 EPC9157 的新參考設計板4（圖 4）。它采用與圖 2 中的 DSP 解決方案相同的兩相交錯拓撲和 1/16 磚模塊外形尺寸設計。該板的額定輸入電壓、輸出電流和 500kHz 頻率也與 DSP 解決方案相同。（在本文發布時，該板的額定輸入電壓為 80V）。
圖 4：使用 ISL81806 和四個 GaN FET 的 EPC9157 EVB，僅模擬控制
基于 DSP 的 EVB 和基于模擬的 EVB 的效率如圖 5 所示，并且在峰值功率下非常接近?；谀M的 EVB 具有更好的輕負載效率，部分原因是單個模擬控制器消耗的工作電流 (50μA) 比 DSP 解決方案所需的七個組合 IC 少，并且可以直接使用 12V 輸出作為 IC 電源的外部偏置。
圖 5：效率比較（左：EPC9143 使用 DSP，右：EPC9157 使用 ISL81806）
下面的圖 6 顯示了數字和模擬解決方案之間的主要 BOM 差異（省略了無源組件）。很明顯，模擬解決方案電路BOM非常簡單，只需要一個IC，不需要任何編程。
圖 6：BOM 差異
雖然 ISL81806 已經提供了一流的效率、解決方案尺寸和物料清單尺寸，但在未來的修訂中仍有改進的空間。正如 GaN FET 技術在過去幾年中迅速發展一樣，瑞薩電子致力于定義和設計匹配控制器的團隊也面臨著新的挑戰和機遇。
未來發展可能帶我們進入的一些方向包括（但不限于）：
提高擊穿電壓
100V 可能更適合遠程 AAU 以及板裝磚式電源模塊，特別是對于長電纜的電信，以便更加穩健。
更強大的分離式柵極驅動
為了更高的效率，可能需要更強的柵極驅動器。然而，這也帶來了非?？斓?dV/dt，這有可能損壞 IC，因為任何非理想布局的大雜散電感會產生負電壓?？赡苄枰獑为氶_啟/關閉以優化開關速度，如參考文獻 5 中的 RAA226110 等分立 GaN 驅動器 IC。
用于優化布局的小封裝
GaN 供應商推薦使用 CSP 或 BGA 等沒有擴展引腳的小型封裝，以進一步降低系統雜散電感。但是，某些具有潛在惡劣環境部署的應用程序不能接受 CSP 或 BGA 封裝。
IC工藝改進
IC 開關節點需要非常穩健，以處理開關期間的高 dV/dt > 200V/ns 和負電壓。內部自舉二極管可能更喜歡接近零 Qrr 以啟用高頻。此類要求可能會挑戰 IDM 或代工廠改進其 IC 制造工藝。
對死區時間優化的更多研究
出于安全目的，需要在高側開關關閉和低側開關打開之間有一點死區時間。在死區時間內，GaN FET 的“體二極管”功能傳導負載電流。GaN FET 具有獨特的“體二極管”模式，Qrr 為零，但正向壓降非常大6。因此，在死區期間，不僅傳導損耗會增加，而且自舉電容器可能會過度充電到損壞頂部器件的程度。為了優化非常小但仍然安全的死區時間，我們還必須考慮 IC 和其他 BOM 參數因溫度和批量生產分布而發生的變化。像 ISL81806 這樣的 E-MODE 控制器使用針對 GaN FET 優化的固定最小死區時間，并且 EPC9157 EVB 設計有外部低成本保護電路，以避免自舉電容器過度充電。然而，這可能限制了實際工作頻率。一些 DC/DC IC 供應商添加死區時間編程引腳或使死區時間數字化。無論哪種方式，這都將死區時間選擇的艱巨任務留給了電路設計人員，未來可能需要更智能的 IC 功能。（進一步閱讀可以在參考文獻 7 和 8 中找到。）
增加靈活性以適應各種 GaN 技術
與普通硅 FET 不同，各種 GaN FET，甚至都是基于增強模式的，可能具有完全不同的設計。例如，推薦的柵極電壓可能因制造商而異 6 并且會成為問題，因為它們需要在不同的 OVP 級別進行保護。除了未來產品中的其他可能變量之外，柵極驅動電壓可能需要可編程。
GaN FET 擁有光明的未來，有朝一日，它們可能成為硅 FET 的“直接替代品”，具有合理的成本和更好的性能，而 ISL81806 等控制器正在通過進一步的產品開發幫助實現這一目標. 如果設計了適當的控制器來控制 GaN FET，現在使用 GaN FET 就像使用硅 FET 一樣容易。
審核編輯：湯梓紅
工商網監
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