PI的PowiGaN技術(shù)的使用優(yōu)勢及應(yīng)用

Power Integrations（PI）于2019年7月27日發(fā)布了結(jié)合PowiGaN技術(shù)的全新InnoSwitch?3系列恒壓/恒流離線反激式開關(guān)電源IC，利用GaN（氮化鎵）技術(shù)，讓InnoSwitch的產(chǎn)品在整個負(fù)載范圍內(nèi)提供95%的高效率轉(zhuǎn)換，并且在密閉適配器內(nèi)不使用散熱片的情況下可提供100 W的功率輸出。

這款產(chǎn)品的發(fā)布日期專門選在了PI二季度財(cái)報(bào)當(dāng)天，足見該技術(shù)對PI未來的重要性。PI總裁兼首席執(zhí)行官Balu Balakrishnan表示：“在實(shí)現(xiàn)高效率和小尺寸方面，氮化鎵是一項(xiàng)明顯優(yōu)于硅技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。我們預(yù)計(jì)眾多電源應(yīng)用會從硅晶體管快速轉(zhuǎn)換為氮化鎵。自從我們在18個月之前推出硅技術(shù)新器件以來，InnoSwitch3已成為離線開關(guān)電源IC市場當(dāng)之無愧的技術(shù)先行者，隨著我們的反激式產(chǎn)品在效率和功率能力的提高，新的氮化鎵IC進(jìn)一步鞏固了我們的優(yōu)勢地位?！?/p>

實(shí)測結(jié)果顯示，帶有PowiGaN技術(shù)的InnoSwitch3系列可以實(shí)現(xiàn)超過100W的輸出功率，同時Rdson損耗達(dá)到了最低，效率也是前所未有的高。

為什么要使用氮化鎵

Balu Balakrishnan表示，移動設(shè)備正在進(jìn)入快速充電器的新階段，受到多種融合趨勢的催化。

首先是新的USB PD充電標(biāo)準(zhǔn)，它與新的Type-C連接器配合使用，可以為任何移動設(shè)備提供高達(dá)100瓦的功率。

其次，OEM的產(chǎn)品為了延長電池使用時間而做得容量越來越大，預(yù)計(jì)5G手機(jī)時代更加明顯，這會消耗更多功率，但也會鼓勵更多地使用耗電量大的功能，例如流媒體視頻。

第三，隨著手機(jī)市場陷入低增長或負(fù)增長，許多OEM已將充電速度視為差異化競爭力，快充成為了整個行業(yè)的趨勢，將在未來幾年內(nèi)繼續(xù)發(fā)揮作用。

“我們相信我們擁有業(yè)界最好的技術(shù)來應(yīng)對快速充電趨勢，我們認(rèn)為隨著功率水平的不斷提高，公司的技術(shù)優(yōu)勢將會增加。效率在快充中至關(guān)重要，因?yàn)檫m配器的外形太小，同時缺乏主動散熱功能，容易造成散熱不好，而集成也很關(guān)鍵，因?yàn)楦吖β食潆娖魍ǔ＞哂懈叩膹?fù)雜度和更多的元件數(shù)。而PI的 InnoSwitch產(chǎn)品無論效率還是集成度，都是市場的領(lǐng)導(dǎo)者。 ”Balu說道。

Balu強(qiáng)調(diào)，“我相信我們是目前唯一一家大批量生產(chǎn)高壓GaN基產(chǎn)品的公司，事實(shí)上，目前一些零配件市場已經(jīng)采用了我們的GaN產(chǎn)品?！?/p>

Balu表示，PI在時機(jī)上處于有利位置，同時在技術(shù)方面也是如此，PI所專長的高可靠，無需光電耦合器的技術(shù)可以為客戶提供諸多便利?！笆聦?shí)上，我們迄今為止所做的大部分工作是由客戶推動的，他們來找我們要求為他們提供產(chǎn)品?！盉alu說道。

Balu認(rèn)為，GaN的關(guān)鍵點(diǎn)不在適配器，而是功率轉(zhuǎn)換的本身，一般來說，30至40瓦應(yīng)用的任何產(chǎn)品都有機(jī)會用到GaN技術(shù)，更高功率的產(chǎn)品更是只有GaN可以滿足。

PI GaN系列產(chǎn)品初出茅廬便嶄露頭角

根據(jù)充電頭網(wǎng)的拆解顯示，包括Anker、Aukey、Ravpower等多家公司均已采用了PI的PowiGaN方案，而無一例外，所有配件廠都將GaN技術(shù)作為產(chǎn)品的主要賣點(diǎn)之一。正如Anker CEO陽萌在紐約發(fā)布會中所說：“傳統(tǒng)充電器使用Si（硅）作為半導(dǎo)體材料，不僅體積占比高而且效率低下，在充電時由于散熱問題會浪費(fèi)了20%的潛在能量。安克創(chuàng)新在過去的12個月一直在研究GaN技術(shù)，就是為了讓充電器降低能量損耗，同時充分減小其尺寸?！?/p>

比如充電頭網(wǎng)曾經(jīng)拆解的ANKER著名的PowerPort Atom PD 1氮化鎵充電器，就是采用了PI的SC1933C，內(nèi)置氮化鎵技術(shù)，不過當(dāng)初PI還沒有對外公布PowiGaN這項(xiàng)技術(shù)，因此也誤稱為PI InnoGaN 系列，但無論如何這都是PI面向商用的首款GaN產(chǎn)品，并且近半年來也得到了市場的充分驗(yàn)證。

在SC1933C中并沒有明確指出GaN產(chǎn)品。

但是在InnoSwitch3的Datasheet中已明確指出包括INN3379C及INN3370C采用了750V GaN 開關(guān)。

PowiGaN技術(shù)的優(yōu)勢

氮化鎵憑借其禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越性質(zhì)，確立了其在制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件方面的領(lǐng)先地位。

PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光（JASON YAN）指出，具體在PI所專注的充電領(lǐng)域，氮化鎵具有包括Rdson更小以及開關(guān)損耗降低。Rdson的降低，意味著導(dǎo)通電阻更小，也就是帶來更小的導(dǎo)通損耗。而對于開關(guān)損耗來說，主要是從電壓從高壓到0時電流從0到最大，這其中的交疊區(qū)域會產(chǎn)生功耗，GaN由于可以具有更高的轉(zhuǎn)換頻率，因此開關(guān)損耗也更低。

如上圖所示，對于導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗來說，GaN都比Si MOSFET要小，也因此實(shí)現(xiàn)了更小的尺寸和更低的功耗損失。

閻金光表示，正是因?yàn)镚aN的效率足夠高，因此可以節(jié)省散熱片設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)小尺寸高效率的緊湊型適配器設(shè)計(jì)，通過更好地控制內(nèi)部溫升，以及GaN相對Si更強(qiáng)的抗高溫特性，因此十分適合對體積、效率和壽命都有要求的場合。

具體來說，包括非原裝USB PD適配器、高端手機(jī)充電器、筆記本適配器及其他隊(duì)尺寸或效率有要求的諸如家電、電視機(jī)、服務(wù)器待機(jī)電源、電腦、游戲機(jī)等，此外還有一些希望采用InnoSwitch系列產(chǎn)品，但是又需要更高功率輸出的場合都是PowiGaN產(chǎn)品應(yīng)用的市場。

為什么GaN剛剛開始騰飛？

閻金光表示，十幾年前業(yè)界就開始進(jìn)行第三代寬禁帶半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化研究工作，但無論是GaN還是SiC的良率都非常低，因此成本很高。同時GaN的應(yīng)用還非常難，因?yàn)槭歉咚倨骷?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/82/" target="_blank">PCB Layout非常敏感，EMI設(shè)計(jì)很難，而PI通過集成化方式，將所有設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)都放到了芯片內(nèi)部，增加了產(chǎn)品的可靠性，降低了設(shè)計(jì)難度，使得GaN技術(shù)的大批量市場化應(yīng)用成為可能。

“從電源設(shè)計(jì)流程到器件的開關(guān)頻率、工作波形、外部元件的選用以及EMI/ESD考量等，PowiGaN技術(shù)的InnoSwitch3和以前沒有任何區(qū)別，更加易于被設(shè)計(jì)工程師所接受。”閻金光說道。

閻金光補(bǔ)充道，針對GaN的電源應(yīng)用，我們并不崇尚更高開關(guān)頻率的應(yīng)用。雖說頻率越高的話變壓器體積可以做得越少，但是頻率高意味著電磁干擾越強(qiáng)，為了滿足EMI規(guī)格需要增加額外的濾波器等電路，反而會增加整個方案的體積，因此在InnoSwitch3中GaN的工作頻率和過去的基于MOSFET的產(chǎn)品一樣，這也是權(quán)衡的結(jié)果。

Balu也在投資者峰會時說過類似的話，PI的GaN技術(shù)與目前普遍討論的GaN技術(shù)不同，PI是完全在內(nèi)部開發(fā)的，并且是專門針對電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的應(yīng)用。其次，GaN尚未商業(yè)化的原因主要是因?yàn)镚aN在分立電路中非常難以駕馭，頻率太快，很難對其控制或者保護(hù)，PI的解決方式是集成在系統(tǒng)級芯片中，解決了客戶使用難題。“事實(shí)上，如果你把帶有GaN的Inno 3放在其中，除了性能更好，它看起來就和其他Inno 3一樣?！癙I內(nèi)部研究了所有的安全功能并以適當(dāng)?shù)姆绞津?qū)動GaN，并且我們有著多年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到了批量出貨階段，并且得到了客戶的積極反饋?！?/p>

閻金光特別強(qiáng)調(diào)，PI的PowiGaN技術(shù)采用的是單芯片方案，并且所有的工藝都是由PI自己開發(fā)的，完全專有的技術(shù)，不會被其他廠商所利用，同時在供應(yīng)鏈方面PI也選擇的是長期穩(wěn)定的代工合作伙伴，保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。

PowiGaN應(yīng)用到InnoSwitch3的各系列中

目前InnoSwitch3的全系產(chǎn)品 （CP/EP/Pro）都已成功導(dǎo)入GaN技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

如圖所示，其中CP是恒功率應(yīng)用場合，EP適合敞開式應(yīng)用，而PRO則帶有數(shù)字接口，支持USB PD+PPS模式，可以使得適配器的輸出更加精準(zhǔn)，無需手機(jī)內(nèi)部額外的DC-DC轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)適配器輸出的智能化數(shù)字化控制。

為了加速PowiGaN技術(shù)和InnoSwitch3系列產(chǎn)品的上市周期，PI開發(fā)了諸多參考設(shè)計(jì)，主要就是為了USB PD所開發(fā)。

“2018年我們的GaN產(chǎn)品就已經(jīng)投入市場，目前來看安全性得到了充分驗(yàn)證，沒有一顆料失效返廠，我們相信GaN代表著未來，尤其是等一線OEM們認(rèn)識到GaN的安全性，高效性之后，一定會有更大的增長空間。”閻金光說道。

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