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探索电源管理未来趋势,宽禁带功率器件崭露头角

时间:2021-04-24 作者:刘于苇 阅读:
4月23日,由电子工程专辑、电子技术设计和国际电子商情共同举办的“第22届高效电源管理及功率器件论坛”邀请到了国内外优秀的电源管理及功率器件原厂及测试方案供应商,旨在帮助电子工程师在电源技术更新换代之际,有针对性地迅速掌握设计和测试技巧,例如时下火爆的TWS耳机充电仓方案、小体积充电器氮化镓方案等。在本次论坛中,近半数演讲厂商都分享了宽禁带半导体的相关话题……
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时至今日,我们已经被各种电子产品包围,随着各类消费电子产品的无线化和独立供电,如TWS耳机及各类带电池的穿戴式设备,以及汽车的电气化、智能化和自动化,全行业对电源器件的需求越来越大,对功率密度、EMI、静态电流、噪声、精度以及隔离的要求也都越来越高。

电源器件可以分为电源管理集成电路和分立的功率半导体器件,前者包括AC-DC、DC-DC转换、LDO、电池管理IC、充电芯片和开关IC等;后者包括整流二极管、晶闸管、MOSFET和IGBT等。他们是一切电子产品和设备的基础,应用范围十分广泛。

未来电源管理芯片的发展趋势主要以高效低耗化、集成化、内核数字化和智能化为主。而功率半导体器件从早期简单的二极管逐渐向高性能、集成化方向发展,随着第三代半导体材料工艺的成熟,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带功率器件开始崭露头角,成为“新基建”中非常关键的元器件。

第22届高效电源管理及功率器件论坛现场

4月23日,由世界领先的技术信息集团ASPENCORE旗下媒体电子工程专辑、电子技术设计和国际电子商情共同举办的“第22届高效电源管理及功率器件论坛”,在深圳市绿景酒店举办。本次会议邀请到了国内外优秀的电源管理及功率器件原厂及测试方案供应商,旨在帮助电子工程师在电源技术更新换代之际,有针对性地迅速掌握设计和测试技巧,例如时下火爆的TWS耳机充电仓方案、小体积充电器氮化镓方案等。

在本次论坛中,近半数演讲厂商都分享了宽禁带半导体的相关话题,可见碳化硅和氮化镓等技术已大面积商用在即。

氮化镓器件实现充电小型化

以小型电源适配器为例,当前手机厂商掀起环保风,不随机附赠充电头后,第三方的小体积快充充电头市场火爆了起来。目前快充充电器实现小型化的最大痛点就是效率,但反激开关电源技术已经发展多年,想要进一步大幅提升效率非常难。如果需要极致提升效率,则需要不断的优化电路设计,精确控制每一个参数,确保每一个器件都达到最佳的性能,这让氮化镓方案成功出道。

Power Integrations公司 AC-DC产品线现场应用工程师符再兴为大家分享了近段时间PI在实现小型充电器的高效率和高功率密度方面的研究成果,他表示:“PI InnoSwitch3系列芯片的优势所在,其内置的SenseFET无损检测电路,相比传统分立器件的原边检测能够降低一些损耗,对提升效率很有帮助。”

Power Integrations公司 AC-DC产品线现场应用工程师符再兴

同时,PI InnoSwitch3芯片还集成了FluxLink技术,这项技术可以实现初级和次级的实时通信,从而通过次级控制器控制原边的开关 ,从而最大程度的实现同步整流MOS导通时间,实现最佳效率。

“得益于集成化的设计,在同功率输出的情况下,使用InnoSwitch3系列开发的产品较常规方案将节省十几颗外围器件,这也是充电器实现小型化设计的前提条件。” 符再兴说到。

氮化镓在近几年成为了快充市场的宠儿,PI内置GaN功率器件的PowiGaN系列开关拥有更低的RDS(ON)和开关损耗,可实现效率显著提升。据符再兴先生介绍,PowiGaN系列芯片在设计之初便对氮化镓的驱动电路进行了优化,所以电源工程师在产品开发时无需担心驱动难调、EMI难调、电路布局不好处理等问题,极大程度的降低了氮化镓快充电源的设计难度。

符再兴先生还提到,采用氮化镓技术并不是实现充电小体积的唯一方式,因为当充电器工作频率很低时,适当提升开关频率,变压器的体积会得到大幅减小;但如果继续提高工作频率,变压器的体积变化并不会特别明显。所以除了PowiGaN之外,PI还推出了MinE-CAP系列解决方案。

这也是最新推出的PowiGaN IC,通过高耐压电容和低耐电容的搭配使用,可以将原有传统设计中大电容的尺寸减小50%左右,为超小型、高效率电源的设计带来了全新方法。

如何用好碳化硅MOSFET?

来自意法半导体(ST)的功率与分立器件市场部技术市场经理黄宵驳,介绍了碳化硅MOSFET技术及应用概览。相比传统硅器件,碳化硅拥有更高的击穿电压、更低的导通电阻和功耗、更高的开关频率、更低的开关损耗,并且能够耐受更高的温度,降低了散热系统的要求。

意法半导体功率与分立器件市场部技术市场经理黄宵驳

碳化硅MOSFET与传统硅MOSFET相比,临界电场强度(Ec(V/cm))高出数倍,漂移区(Drift)阻抗可大大降低,器件厚度可降至之前的1/10。从各类功率器件的应用范围及典型应用来看,碳化硅MOSFET是高压、高频及高功率应用的最佳选择。

黄宵驳表示,碳化硅能给系统带来的好处包括四大方面:

1、效率方面,可以带来极低的损耗,导通电阻随温度变化较小,功率密度、可靠及灵活性更高;

2、开关频率方面,减小开关损耗,带来更轻、更小的系统和更高的功率密度;

3、性能方面,能够以业界最高的运行结温(200°C)降低对散热系统的要求,散热器相比硅器件更小;

应用上,跟传统Si MOS/IGBT拥有极其相似的驱动方式,器件数量却要的更少。

当前碳化硅市场正随着汽车电气化的趋势高速增长,ST在碳化硅产品的布局也已经进入第四代,广泛用于汽车电子和工业等领域。自1996年开始,ST在碳化硅上已经有超过20年的经验,黄宵驳表示,“在这两个领域(汽车与工业)的市占超过50%,当前还有70+个在研项目,预计2025年碳化硅产品的营收将突破10亿美金。”

 除了收购Norstel AB实现全供应链的垂直整合外,ST还与业界厂商签订多年长期协议扩充供应链,并持续投资碳化硅产品线,提升自有产能。作为一家IDM厂商,ST可以充分利用自家封装技术的优势,提升器件功率密度,减少寄生效应并提升效率。

以TO247-4封装为例。与传统的TO247-3封装相比,TO247-4封装引入Kelvin源极引脚,3PIN变为4PIN能够将器件内部功率回路与驱动回路独立分开,寄生电感得以减小,极大地改善了功率回路对驱动回路的影响。

最后黄宵驳还以ST产品为例,详细介绍了如何在电源设计中减小导通电阻、关断/开通损耗,以及在驱动碳化硅MOSFET时的注意事项。

碳化硅在双向AC-DC转换器中的设计挑战

同样谈到碳化硅话题的还有科锐(Cree/Wolfspeed)公司的SiC产品电源应用高级经理魏晨,他以Wolfspeed 22kW OBC 参考设计为例,展示了在双向AC-DC、 DC-DC 电源系统里碳化硅的优秀性能及设计中的注意事项。

Cree/Wolfspeed公司SiC产品电源应用高级经理魏晨

在当前的电源设计中存在诸多挑战,例如如何实现高功率密度设计?如何实现高效率的同时满足散热要求?如何在双向操作中支持较宽的电池电压范围?如何与单相和三相交流输入兼容?

首先在拓扑的选择上很重要,以DC-DC转换器为例,有全桥CLLC谐振转换器、降压/升压+全桥DCX谐振转换器以及双路有源桥式转换器三个备选方案。综合对比后,魏晨认为考虑到提高功率密度和降低成本,全桥CLLC谐振转换器比另外两者拥有更好的性能。再看AC-DC转换器,六开关有源前端转换器和T型AC-DC转换器之中,前者更适合。

在功率器件的选择上,魏晨认为基于电气应力和热设计,AFE和初级、次级CLLC转换器的设计都应选择C3M0032120K 1200V 32mohm 碳化硅MOSFET。原因在于其快速切换和切换时的损耗低,碳化硅MOSFET具有较低的Rdson温度依赖性和高温下的低传导损耗,较小的输出电容,更易于实现CLLC谐振转换器的ZVS,而且低反向恢复体二极管可确保在硬换向情况下的可靠性。此外,碳化硅器件支持高频切换,能够提高功率密度并减轻重量,具有高效率和双向操作的优势。

而碳化硅器件与硅器件最大的区别在于VGS(栅极电源电压)。如下图波形所示,VGS的最大额定值为-8 / 19V。 正的最大VGS额定值为19V,负最大VGS额定值为-8V。 最大VGS额定值允许出现振铃和过冲,这些振铃和过冲将叠加在连续栅极驱动电压之上。 只要峰值瞬态电压不超过器件的最大VGS额定值,设备就会正常运行,并且不会降低设备的使用寿命或可靠性。 对于负VGS,在瞬态事件中VGS <-6V时,脉冲宽度必须小于100ns。

魏晨表示,栅极-源极的负电压将确保MOSFET在半桥拓扑中保持关闭状态,以避免由于串扰引起的寄生导通。“建议使用+ 15V / -3V,同时用户可以选择关断电压范围-2V〜-4V。”

魏晨还解释了半桥需要负电压的原因,以及碳化硅MOSFET栅极驱动器电路的设计技巧和PCB布局注意事项。

GaN/SiC上管驱动信号的测量

随着碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体技术在众多行业中的应用越来越广泛,也给电源的开发测试工作带来了众多挑战。泰克科技资深技术专家黄正峰从测试方案供应商的角度,为如何解决氮化镓和碳化硅上管驱动信号的测量难题支了招。

泰克科技资深技术专家黄正峰

我们在用以往的测试器材测试氮化镓、碳化硅等宽禁带器件时,往往发现其上管驱动信号震荡很大,这其实是由于普通的探头无法传输准确的信号。以往没有任何一款探头能够同时实现杰出的性能、共模电压和共模抑制比(CMRR),其测量误差来源主要是接地连接、共模抑制比指标差和幅频特性差。

“长引线使得探头易发生噪声和放射辐射,波形会因导线和探头尖位置而变化。而 大的挂勾夹无法应对狭小测试位置,测试性能差。“黄正峰说到。

共模抑制比差对功率器件——尤其是碳化硅、氮化镓的全桥测试有什么影响呢?首先这类测试取决于探头能抵抗多大的共模电压,共模电压导致误差随着以下两点而增大:1. 共模电压变大;2. 信号沿速率变快。其次,功率器件测试还存在共模干扰问题。比如当存在600V的共模电压时,一个5V的差分信号能够被量测到吗?“这取决于测量系统会引入多大的共模偏差。探头的共模抑制能力依赖于共模信号的量级和共模信号的频率成分。”

由于共模抑制比额定值随着带宽下降,所以功率测量需要高CMRR探头,而当今市面上的差分探头普遍能力不足,工程师被迫通过仿真、补偿或推断 (强制对地测试)。

对此,泰克推出了全新的高电压隔离探测解决方案IsoVu技术,利用光电传感器将输入信号转换为光学调制。据悉,该技术由4个独立的激光器,一个光传感器,5组光纤,一种复杂的回馈及控制技术组成。

如上图,IsoVu解决了驱动信号测量的三大难点。针对高速开关电源的测试解决方案,IsoVu能够提供1000000:1的CMRR,1 GHZ带宽,让工程师能够查看真实上管驱动信号细节,确定仿真结果,量测信号指标。

TWS耳机充电盒一体化解决方案

耳机从有线进化到无线,对工程师来说最大的挑战就是多出了电池,需要做单独的电源管理设计。尤其是充电盒,除了实现最基本的充电和被充电功能,还需要考虑左右耳独立通道管理-独立接入检测、放电管理、放电保护,弹窗显示真实电量-充电仓/耳机电量传输,以及解决耳机端馈电等一系列问题。

如此这般,能有一个整体的解决方案再好不过兆易创新MCU事业部产品经理陈奇在会上带来了他们的TWS 耳机充电盒一体化解决方案。

兆易创新MCU事业部产品经理陈奇

据悉,兆易创新能够为TWS耳机和充电仓提供集成化的电源解决方案,包括MCU和PMIC等。其中GD30WS8805系列芯片,就是针对TWS 充电仓设计 的专用PMIC 产品,其主要规格如下:

”这款产品的亮点在于开关充电温升小,灵活高效的升压电路,在充电各阶段电流、电压灵活可配置、内置低功耗LDO以及耳机与充电仓数据通讯。“陈奇介绍到,

在和市场竞品对比时,在开关充电最大电流、充电电流可配置、LDO for MCU和内置12bits ADC实现Boost输出电压上表现很好。在TWS应用中搭配兆易创新的MCU产品效果更佳,例如在电池充电电路中,GD的MCU可以实现对JEITA的支持。

数字隔离芯片对电源的重要性

谈到电源设计就不得不说隔离技术,通过隔离器件可以隔绝高低压,避免高压危害人体,其中包括了安规和不共地要求,以及性能需求。绝缘要求跟产品实际应用场景强相关,包括过电压类别、瞬态耐压、空气间隙、污染等级、材料组别和爬电距离。

纳芯微电子现场应用部经理张雪霁女士在演讲中,阐述了数字隔离产品对电源系统性能提升的重要性。

纳芯微电子现场应用工程师张雪霁女士

最早的光耦技术已经十分成熟,但各项性能指标已经达到天花板,面临着传输速度慢、体积大和温度范围窄等难以解决的问题。演进到磁耦技术后,传输速度加快,温度范围变宽了,但工艺复杂及带来的EMI辐射依旧令很多工程师头大。

张雪霁表示,纳芯微数字隔离产品具备低传播延时(<10ns)、高抗共模干扰(>200kV/us)、高浪涌耐压(>10kV)、宽工作温度范围(-40~125℃)等主要性能指标,满足电源对数字隔离芯片的要求。

即便是第三代半导体器件,其驱动芯片在对隔离方式的选择上也是有讲究的。以碳化硅 MOSFET为例,器件需要工作在高频开关场合,其面对的由于寄生参数所带来的影响更加显著,再加上本身栅极开启电压较低,在实际系统中更容易因电路串扰发生误导通,因此通常建议使用栅极负压关断。

虽然碳化硅MOSFET具有较小的栅极电容,所需要的驱动功率相对于传统IGBT显著较小,但是驱动电流的大小与开关器件工作速度密切相关,为适应高频应用快速开通关断的需求,需要为碳化硅MOS选择具有较大峰值输出电流的驱动芯片,并且如果输出脉冲同时兼具足够快的上升和下降速度,则驱动效果更加理想,这就意味着要求驱动芯片的上升与下降时间参数都比较小。

配合碳化硅 MOSFET使用的驱动芯片,处于高频应用环境下,这要求芯片本身具有较高的抗干扰度,“在这些条件下,纳芯微的数字隔离驱动产品,性能明显优于光耦隔离和隔离变压器驱动方案”她说到。

纳芯微隔离产品的主要方向有隔离采样、隔离接口和隔离驱动三大类,张雪霁还详细介绍了数字隔离芯片在模拟电源(适配器)、DC-DC电源、AC-DC电源(通信、服务器)及DC-AC电源(光伏、UPS)中的应用。另外在充电桩模块和电动/混动汽车中,纳芯微的数字隔离芯片也有着广泛的应用。

储能逆变器的测试

在新能源的驱动下,传统电网正在发生变革。光伏、风电的成本下降明显,新增发总量持续快速增长,电网设施从集中式向分布式转变。光伏、风电、集中式储能电站、电动汽车、微电网、家庭式储能等让电网构成复杂化,用电和发电双向系统,进一步增加电网的管理难度。

这些应用大多要用到储能逆变器,鲁芯仪器AE部门经理王维斌在会上分享了是德科技在储能逆变器上的测试,对电池续航和效率能带来什么影响。

鲁芯仪器AE部门经理王维斌

以光伏发电为例,屋顶光伏和大型光伏发电场是目前主要的两种光伏发电模式,光伏屋顶通常使用微型逆变器直接并网,而光伏电站则需要将成千上万个光伏电池, 通过集中式大型逆变器(MW 级)或者将光伏电池分成若干组,每组或多组通过组串式逆变器汇流后并入电网 。

“采用 1500V / 组串式 2.5MW 光伏电站的光伏电池模组、逆变器、汇流箱等硬件数量, 以及与1000 V 光伏系统综合比较起来,采用 1500V 光伏系统可以节省约 30% 的成本。” 王维斌表示,是德科技的PV892X/RP797X光伏模拟器(第3代PV模拟器)具备12通道独立MPPT软件和电池模拟器软件,具备APS业界最佳测试精度,也让MPPT测试更可信。

除了逆变器,储能系统中的电池测试也很重要。无论电动汽车充电(G2V)还是馈电(V2G),光伏对电池充电还是电池给电网馈电,都需要一个好的电池模拟器BSS一窥“电池黑盒子”内的秘密。包括循环寿命和能量衰减、寿命与截止电压、放电容量和倍率&温度、充电曲线与快充、电池内阻与SoC/温度。

最后王维斌总结道,APS储能逆变器续航测试验证方法主要包括四个:1、电池模型提取 (电池);2、电池模拟器 (APS);3、逆变器纹波电流特性测试 (逆变器);4、交叉验证纹波对电池容量的影响(APS/电池/逆变器)。

回顾USB标准发展史

USB供电(USB Power Delivery,简称USB PD)是时下各类移动消费电子产品最常用的充电方式,是利用USB(Universal Serial Bus)电缆,最大可100W供电受电的USB供电扩展标准。捷捷微电(上海)副总经理于玮诏与大家一起回顾了整个USB标准的发展史。

捷捷微电(上海)副总经理于玮诏

如今USB的各种标准,包括Type-C,Power Delivery,USB4和Authentication等,已经可以实现只用一根电缆在不同设备、不同接口之间传输电源和数据。 而且USB电源的所有解决方案都默认需要向下支持以前的版本。

回顾90年代的PC主板,上面各种接口林立,从键鼠PS/2到模拟音频输出,从USB2.0到eSATA,光是显示输出就有VGA、DVI、HDMI好几种选择。“我们当时的梦想就是一款产品上,只需要一个接口就能搞定电源、数据传输等所有事情,现在USB-C实现了这个梦想。” 于玮诏说到。

捷捷微电本身是一家有着20多年历史的本土半导体企业,据介绍,其SCR产品目前在国内出货量排名第一,全球前三。其具有专利的分体式(或屏蔽式)栅极沟槽技术(SGT)通过进一步最小化关键电气参数,对沟槽技术进行了改进 

从笔电开始,逐步实现国产电源管理芯片替代

当前在国内的“新基建”政策下,下游终端消费电子需求强劲,电源管理芯片对于提高整机性能必不可少。从电子产品制造到半导体,整个产业保持着由欧美日向中国、亚太转移的趋势,而电源管理芯片当前国产化率还不到5%,处于上升期。

大瞬科技商务发展副总裁毛洁萍女士从笔记本品类出发,分享了电源管理芯片国产替代的话题。大瞬科技是一家模拟IC设计公司,专注于高端模拟,RF和混合信号芯片设计、研发、销售,公司主要产品包括笔记本CPU DC/DC及Charger芯片;手机快充芯片及各种穿戴产品充电芯片等。

大瞬科技商务发展副总裁毛洁萍女士

中国芯片企业的竞争,导致欧美企业无法维持原来的高毛利,有意逐步淡出民用消费类市场,转向汽车级、工业级、军用乃至宇航级等其他性能要求更高的市场。以在电源管理和运算放大器这两个领域处于龙头地位德州仪器(TI)为例,下游市场集中于工业和汽车电子市场,消费类电子市场仅占约5%的份额;另一大巨头ADI在消费电子市场的业务仅占营收的小于14%。

“所以在产业转移的过程中,国内电源管理芯片产品可以多关注这块市场,尤其是中小功率端的消费电子市场可以逐渐取代国外竞争对手的份额。” 毛洁萍说到。

大瞬科技选择的突破点是笔记本电脑。在疫情中催生了大量的远程办公、远程学习需求,笔记本电脑展现出了其它电子设备无可替代的属性,即远程生产力工具。根据市场调研机构Strategy Analytics发布的数据来看,2020年第三季度,全球PC出货量同比2019年增长34%。

光是中国国内近几年推出春晓计划、安可计划、信创计划,笔记本电脑采购量就达到6000万台,合计目标芯片价值达3.3亿元人民币。毛洁萍表示,“当前在笔记本电源管理领域,能与国际一线CPU DC/DC、电源IC供应商相提并论的国内厂商,只有大瞬科技一家公司。我们也希望基于中国国产CPU厂商平台,探讨技术合作发展方向。”

据介绍,大瞬科技20年来深耕PC市场,具有DC-DC转换器,负载开关、低压线性稳压器和电池充电控制等完整的电源管理产品线,相较于国际模拟芯片供应商,产品系列更完整、选择更加多样化。另外在“产品性能、效率、稳定性可以与国际一流厂商等相提并论,具有核心技术专利池CRC,笔记本电脑Charger HPB技术。”

在英特尔平台的支持上,大瞬科技一直都是英特尔 AVL 成员,全球仅5家左右。去年符合IMVP 电源规范的SD7885 已经量产。与英特尔每1-2年更新一次的电源规范相比,AMD SV12已经用了3年以上,变化比较慢,正准备推出新的电源规范SV13。大瞬的DC/DC 芯片伴随Intel/AMD电源规范的一路发展,早已实现CPU与电源IC 的通信调整电压,发挥CPU最大性能又降低整体功耗。

当前国产CPU 发展迅猛,不同下游厂商又对功耗有不同的需求。国产CPU在电压管理上的状态大多采用单一且固定电压输出的形式,即使调整电压也是用MCU通过I2C调整,功耗较大;对充电芯片要求,应用上让处于纯粹锂电池的充电;对于Hybrid功能应用,则仍处于起步阶段。

“大瞬产品可以针对国产CPU提供定制化简单功能,有信心为笔记本电脑平台的全面国产化尽一份力。” 毛洁萍说到,这份信心来源于产品过去十年来DPPM小于5的高良率,作为参照对比,工业级产品对芯片良率的要求是DPPM小于100,而国际上对于消费类产品的要求一般是DPPM小于1000。

责编:Luffy Liu

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刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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