對(duì)于 48V 電源系統(tǒng)中的 GaN FET 應(yīng)用，現(xiàn)有的一種方法是使用基于 DSP 的數(shù)字解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻和高效率設(shè)計(jì)。這在很大程度上是由于缺乏設(shè)計(jì)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(huì)增加額外的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)。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(shù)量少，使設(shè)計(jì)人員能夠像使用硅 FET 一樣簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)同步降壓轉(zhuǎn)換器，并提供卓越的性能。

眾所周知，與傳統(tǒng)的硅 FET 相比，氮化鎵 (GaN) FET 已顯示出卓越的電路內(nèi)性能。由于 GaN FET 的高效率，產(chǎn)生的熱量更少，系統(tǒng)成本也可以大大降低。然而，構(gòu)建商用電源的公司在使用 GaN FET 進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)面臨著幾個(gè)挑戰(zhàn)。以下是我們從客戶那里聽到的一些示例：

“基于 GaN FET 的設(shè)計(jì)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(shù)字控制，我們對(duì)此猶豫不決；設(shè)計(jì)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(lái)，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(wèn)題是我們需要一個(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)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(shí)際設(shè)計(jì)，主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)復(fù)雜。隨著 GaN FET 成本的降低，相對(duì)于硅 FET 的更高成本可以通過(guò)系統(tǒng)級(jí)節(jié)省來(lái)抵消。如果我們假設(shè)客戶永遠(yuǎn)是對(duì)的，那么我們將如何幫助他們？

在瑞薩，我們正在 48V 系統(tǒng)中使用 100V GaN FET 來(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(wèn)題。

自從開發(fā)了電話設(shè)備以來(lái)，電信和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用通常使用 48V 直流電源運(yùn)行。近年來(lái)，數(shù)據(jù)中心和高端汽車系統(tǒng)也開始采用 48V，因?yàn)樗匀槐徽J(rèn)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(xì)規(guī)格的電線。已發(fā)表多篇文章來(lái)討論快速新興的 48V 市場(chǎng) 1。

圖 1 顯示了 5G AAU（有源天線單元）的典型電源樹圖。 從系統(tǒng)的 -48V 輸入總線，DC/DC 轉(zhuǎn)換為數(shù)百瓦或千瓦級(jí)，將 -48V 轉(zhuǎn)換為 +28V，或+48V~+56V，饋入大功率放大器陣列。轉(zhuǎn)換后的正電壓還可以創(chuàng)建 12V 或 5V 總線來(lái)饋送其他系統(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)與主電源隔離，例如交流電或可再生能源）。顯然，隨著5G市場(chǎng)的快速興起，AAU和BBU（Base Band Unit，未顯示）在不同功率等級(jí)的多次48V轉(zhuǎn)換，具有巨大的市場(chǎng)潛力。投資 80V 或 100V 額定 GaN FET 來(lái)取代傳統(tǒng)的硅 FET 符合 GaN 制造商的最大利益。

在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中采用 GaN 的一些潛在好處包括提高系統(tǒng)效率、最小化解決方案尺寸、降低電力成本和簡(jiǎn)化熱管理。特別是對(duì)于 5G AAU，它甚至可以減輕系統(tǒng)重量，考慮到更分散且有時(shí)具有挑戰(zhàn)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(xì)的電源架構(gòu)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。

之前發(fā)布的使用 GaN FET 方法的 48V 總線電源轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)來(lái)自最著名的 GaN FET 公司之一，Efficient Power Conversion (EPC)，EPC9143（見圖 2）。整個(gè)設(shè)計(jì)是開源的2。

此參考設(shè)計(jì)基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 1/16 磚轉(zhuǎn)換器占位面積，可從 18V 輸入轉(zhuǎn)換為 60V，并基于兩相交錯(cuò)配置轉(zhuǎn)換為額定電流為 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，運(yùn)行頻率為 500kHz，并提供 >95% 的峰值效率（該控制器具有一個(gè) DSP 內(nèi)核和額外的模擬部分，為簡(jiǎn)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(shè)計(jì)，頂部和底部

雖然此設(shè)計(jì)無(wú)疑提供了非常令人印象深刻的性能，但我們的團(tuán)隊(duì)注意到它還使用了其他六個(gè)集成電路 (IC)，如圖 2 參考設(shè)計(jì)所示。

使用許多數(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，并且可以添加其他所需的功能。然而，對(duì)于某些 48V 應(yīng)用，一旦設(shè)計(jì)確定，就不需要對(duì)這些配置重新編程，因此控制調(diào)制器可以以模擬方式設(shè)計(jì)，與數(shù)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(gè) IC 組合和替換，僅用一個(gè)模擬 IC，并且仍然達(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，這與效率一樣重要。

在簡(jiǎn)化產(chǎn)品定義、IC 設(shè)計(jì)和全面驗(yàn)證工作之后，瑞薩電子開發(fā)了一款 80V 雙路同步降壓控制器，專門優(yōu)化用于驅(qū)動(dòng) 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(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最多可并聯(lián)成六個(gè)交錯(cuò)相以承擔(dān)千瓦級(jí)負(fù)載，而無(wú)需外部數(shù)字控制來(lái)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(yīng)用

寬 Vout 范圍：0.8V 至 76V

支持恒壓或恒流輸出

寬開關(guān)頻率：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 EN 和軟啟動(dòng)

針對(duì)增強(qiáng)型 GaN FET 優(yōu)化的柵極驅(qū)??動(dòng)和死區(qū)時(shí)間

EPC 和瑞薩電子開發(fā)了一種名為 EPC9157 的新參考設(shè)計(jì)板4（圖 4）。它采用與圖 2 中的 DSP 解決方案相同的兩相交錯(cuò)拓?fù)浜?1/16 磚模塊外形尺寸設(shè)計(jì)。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(fā)布時(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 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(fù)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 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(shù)字和模擬解決方案之間的主要 BOM 差異（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，只需要一個(gè)IC，不需要任何編程。

圖 6：BOM 差異

雖然 ISL81806 已經(jīng)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(lái)的修訂中仍有改進(jìn)的空間。正如 GaN FET 技術(shù)在過(guò)去幾年中迅速發(fā)展一樣，瑞薩電子致力于定義和設(shè)計(jì)匹配控制器的團(tuán)隊(duì)也面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

未來(lái)發(fā)展可能帶我們進(jìn)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(yuǎn)程 AAU 以及板裝磚式電源模塊，特別是對(duì)于長(zhǎng)電纜的電信，以便更加穩(wěn)健。

更強(qiáng)大的分離式柵極驅(qū)動(dòng)

為了更高的效率，可能需要更強(qiáng)的柵極驅(qū)動(dòng)器。然而，這也帶來(lái)了非?？斓?dV/dt，這有可能損壞 IC，因?yàn)槿魏畏抢硐氩季值拇箅s散電感會(huì)產(chǎn)生負(fù)電壓。可能需要單獨(dú)開啟/關(guān)閉以優(yōu)化開關(guān)速度，如參考文獻(xiàn) 5 中的 RAA226110 等分立 GaN 驅(qū)動(dòng)器 IC。

用于優(yōu)化布局的小封裝

GaN 供應(yīng)商推薦使用 CSP 或 BGA 等沒(méi)有擴(kuò)展引腳的小型封裝，以進(jìn)一步降低系統(tǒng)雜散電感。但是，某些具有潛在惡劣環(huán)境部署的應(yīng)用程序不能接受 CSP 或 BGA 封裝。

IC工藝改進(jìn)

IC 開關(guān)節(jié)點(diǎn)需要非常穩(wěn)健，以處理開關(guān)期間的高 dV/dt > 200V/ns 和負(fù)電壓。內(nèi)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(huì)挑戰(zhàn) IDM 或代工廠改進(jìn)其 IC 制造工藝。

對(duì)死區(qū)時(shí)間優(yōu)化的更多研究

出于安全目的，需要在高側(cè)開關(guān)關(guān)閉和低側(cè)開關(guān)打開之間有一點(diǎn)死區(qū)時(shí)間。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，GaN FET 的“體二極管”功能傳導(dǎo)負(fù)載電流。GaN FET 具有獨(dú)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(qū)期間，不僅傳導(dǎo)損耗會(huì)增加，而且自舉電容器可能會(huì)過(guò)度充電到損壞頂部器件的程度。為了優(yōu)化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)分布而發(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 設(shè)計(jì)有外部低成本保護(hù)電路，以避免自舉電容器過(guò)度充電。然而，這可能限制了實(shí)際工作頻率。一些 DC/DC IC 供應(yīng)商添加死區(qū)時(shí)間編程引腳或使死區(qū)時(shí)間數(shù)字化。無(wú)論哪種方式，這都將死區(qū)時(shí)間選擇的艱巨任務(wù)留給了電路設(shè)計(jì)人員，未來(lái)可能需要更智能的 IC 功能。（進(jìn)一步閱讀可以在參考文獻(xiàn) 7 和 8 中找到。）

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，甚至都是基于增強(qiáng)模式的，可能具有完全不同的設(shè)計(jì)。例如，推薦的柵極電壓可能因制造商而異 6 并且會(huì)成為問(wèn)題，因?yàn)樗鼈冃枰诓煌?OVP 級(jí)別進(jìn)行保護(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)電壓可能需要可編程。

GaN FET 擁有光明的未來(lái)，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(guò)進(jìn)一步的產(chǎn)品開發(fā)幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo). 如果設(shè)計(jì)了適當(dāng)?shù)目刂破鱽?lái)控制 GaN FET，現(xiàn)在使用 GaN FET 就像使用硅 FET 一樣容易。

審核編輯：湯梓紅