1977年HEXFET問世，它是由國際整流器公司（IR）的Alex Lidow和Dan Kenza領(lǐng)導(dǎo)的團隊開發(fā)的。 Silicon General和Unitrod也在那一年開發(fā)出了電源管理芯片（PWMIC）。磁性材料也取得了突破，讓元器件變得更快。曾經(jīng)只在大學(xué)里出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)突然變成了行業(yè)主流。讓開關(guān)電源成功商業(yè)化的核心技術(shù)發(fā)生在20世紀70年代后期。

 

功率半導(dǎo)體、拓撲、控制器和磁性材料的大融合為業(yè)界帶來了驚人的變化：效率提高、相應(yīng)功率密度增加，同時成本直線下降。這為電子行業(yè)的大量開發(fā)鋪平了道路，為我們帶來了很多新的技術(shù)，比如諧振電源、LLC轉(zhuǎn)換器，以及英飛凌突破性的CoolMOS技術(shù)。

 

寬禁帶半導(dǎo)體代表了功率電子的第二次革命。這些新型功率半導(dǎo)體激發(fā)了控制器公司的新控制器和改進的拓撲結(jié)構(gòu)，如90年代后期推出的有源鉗位反激式技術(shù)。此外，最新的磁性元件可在一兆赫茲或兩兆赫茲下工作。同樣，在這場革命中，效率提高、頻率上升，成本卻不斷下降。

 

圖1：電源發(fā)展歷程

 

功率密度（AC-DC轉(zhuǎn)換器~300W）；線性調(diào)節(jié)器；開關(guān)調(diào)節(jié)器；高頻開關(guān)調(diào)節(jié)器；新磁性元件；新控制器；新拓撲結(jié)構(gòu)；2倍低損耗；3倍低成本/W；10年5倍提升；超過30年每年<10%改善；十年5倍提升；新GaN功率IC；效率。

 

 

過去幾年來，磁性能方面取得了重大進展，而且出現(xiàn)了改進的材料。就拿GaN來說，兩年前人們還認為磁性不存在，為什么還要試圖加快速度呢，但現(xiàn)在已經(jīng)證明事實并非如此。

 

隨著半導(dǎo)體和磁性技術(shù)的快速發(fā)展，控制器也是一個需要開發(fā)的領(lǐng)域，要跟上其他相關(guān)器件的快速發(fā)展。以Navitas公司的AllGaN技術(shù)為例，該公司采用增強模式GaN FET，并將之與驅(qū)動器集成在同一芯片上。 Navitas還可以集成其他器件，如電平轉(zhuǎn)換器或ECD二極管，甚至是邏輯欠壓鎖定，使其更接近真正的GaN功率芯片。

 

圖2：AllGaN功率芯片的特性

 

由于這一切都發(fā)生在單個芯片上，因此相對容易制造和封裝，這自然也帶來了其他系統(tǒng)好處。由于FET的柵極直接連接到柵極驅(qū)動器的輸出，因此驅(qū)動器輸出和柵極輸入之間的阻抗為零。 這也意味著GaN作為分立器件不容易搞定，但如果你能在一個盒子里集成一個完整的解決方案，那就意味著你可以小心地控制流向柵極的電壓，這意味著也可以保護柵極。

 

集成的方案還意味著可以在高頻工作，而不必擔(dān)心柵極阻抗會影響性能、效率和穩(wěn)定性。 另一個優(yōu)點是集成的驅(qū)動器可以提高穩(wěn)健性，使用單芯片解決方案，布局也比較靈活。

 

圖3：GaN芯片集成解決方案

 

寬范圍Vcc；調(diào)節(jié)器可保護SOA內(nèi)的VGS；滯后的PWM可抗噪聲干擾；整體布局靈活簡潔；柵極可防止外部噪聲。

 

 

在高頻應(yīng)用中，軟開關(guān)諧振拓撲是一種很好的方法。 但在實際情況下，可能存在啟動例程，也許是突發(fā)模式，你可以進行硬切換。 要知道一切都非常艱難，可以可靠地進行硬切換，也可以進行軟切換。

沒有柵極阻抗或電阻的分立解決方案會產(chǎn)生不穩(wěn)定的電路。 如果添加了阻抗，它會變得穩(wěn)定，但也會導(dǎo)致很長的開關(guān)周期。 因此，如果可以直接連接驅(qū)動器輸出和柵極輸入，那么就可以快速運行并保持穩(wěn)定。壓擺率只需要一個電阻即可搞定。 因此，集成意味著一種非常可控的高性能器件。

 

圖4：分離驅(qū)動器和分離FET與GaN功率芯片性能比較

 

關(guān)于集成的另一個問題是ESD。標準硅MOSFET的ESD非常容易理解。PWMIC的ESD也是眾所周知的。而GaN器件是分立形式的，其ESD就不是那么容易理解。我們必須要小心，但如果你要設(shè)計功率IC，那么就要將ESD二極管放在上面。因此，這也成為通過集成使生活變得更為輕松的另一種方式，可以集成電平移位器，或半橋直通保護之類的東西。

 

在這種情況下，集成解決方案占板面積為6×8mm，具有完整的半橋系統(tǒng)和自舉充電功能，以及欠壓鎖定和ESD保護特性。在頻率方面，這些器件的額定值為2兆赫茲。關(guān)于高頻電平轉(zhuǎn)換的一個注意事項是，存在電感耦合或電容耦合的技術(shù)可以進行電平轉(zhuǎn)換，但其本質(zhì)上是不同的技術(shù)。

 

集成的優(yōu)勢
 

在易用性方面，相對于分立方案，帶驅(qū)動器的集成方案可明顯減少組件數(shù)量，使設(shè)計更具可預(yù)測性，而且設(shè)計速度也更快，性能更高。集成是控制和性能的關(guān)鍵。集成的解決方案可提供一個可預(yù)測的構(gòu)建模塊。

 

圖5：分離方案與集成方案的對比

 

圖6示出了一個65W電源參考設(shè)計的示例，這是一種采用軟開關(guān)型態(tài)、運行頻率約為300kHz的有源鉗位反激式設(shè)計。 對于標準反激式或準諧振反激式設(shè)計，緩沖網(wǎng)絡(luò)處理反激電壓。 用第二個開關(guān)替換緩沖網(wǎng)絡(luò)，它就變成了一個半橋，能夠?qū)㈩l率提高到300kHz。

 

圖6：一個65W電源參考設(shè)計示例

 

有源鉗位由弗吉尼亞理工大學(xué)（Virginia Polytech）于1996年推出，現(xiàn)在的控制IC不僅可以達到很高的功率密度，而且還滿足DoE六級要求和歐盟要求。 該設(shè)計是具有完整USB-PD輸出的最小電源，比標準電源具有更高的復(fù)雜性和功能，在90V AC輸入的最壞情況下可以提供20V輸出，其滿負載效率超過93％。
 

圖7顯示了使用相同拓撲的兆赫設(shè)計。這實際上是由弗吉尼亞理工大學(xué)CPES研究小組于2016年完成的。這個一兆赫的有源鉗位反激設(shè)計使用DSP而不是控制IC，以證明滿載的頻率和功率密度。但在過去，它不可能成為一個行業(yè)產(chǎn)品，因為它在輕載情況下效率不高。 現(xiàn)在使用控制IC就可以做到這一點。

 

圖7：與65W電源相同拓撲結(jié)構(gòu)的兆赫茲電源

 

在高頻率時要考慮的事情之一就是EMI，可能有一個大約500kHz的臨界點，你可以使用一個基于線軸的變壓器，或一個基于環(huán)形的變壓器。如果在500kHz左右使用平面變壓器，需要注意一些事情。其一是可以得到尺寸非常小的設(shè)計，這有助于提高功率密度。其二是可以獲得相同或更低成本的變壓器解決方案，因為你不必經(jīng)歷制作整個繞線變壓器的額外步驟。

 

你可以在任何一方進行PCB設(shè)計。但在這種設(shè)計中，在平面變壓器內(nèi)部，還有一些EMI屏蔽層，因此它可以阻止EMI，或者從源頭消除EMI。所以在這種情況下，我們可以得到一個非常非常小的單面EMI濾波器，它符合所有規(guī)格。

 

由于這是一個使用DSP的大學(xué)項目，利用新的控制器和新的半橋，我們可以再次縮小這個設(shè)計的尺寸。

 

圖8：縮小后的兆赫茲電源

 

現(xiàn)在，在與標準的5W或7W方糖電源相同的空間內(nèi)，我們可以做到25W。這是使用的是GaN，新的磁性材料，這是日立的ML 91S器件。使用新的拓撲學(xué)，以前只是在學(xué)術(shù)界，現(xiàn)在已經(jīng)在企業(yè)界流行起來，以及可用的控制IC，再集成驅(qū)動器和MOSSFET，可以充分利用所有這些來推動性能的進一步提升。