台大SoC中心新式电源技术论坛 探讨GaN、USB PD及压电撷取

台湾大学系统芯片中心2019前瞻技术论坛「物联网与新式电源技术」，探讨台湾的发展契机。

伴随物联网(IoT)和5G应用兴起，今后IoT与携带式装置数量必然大增，衍生诸多挑战，尤其如何在装置提供更多功能与耗用更多电力下，有效增加装置使用时间、缩短电池充电时间、缩小充电器体积，在在充满难度，亦象徵背后有莫大商机可期。

为此台湾大学系统芯片中心(NTU SoC Center)将2019前瞻技术论坛主题设定为「物联网与新式电源技术」，邀请产学界专家针对三个重要议题展开精辟分享，分别是「氮化镓」(GaN)、「USB PD」和「压电振动能量撷取」，探讨台湾的发展契机。

台大SoC中心副主任吴安宇致词表示，该中心每年针对前瞻技术论坛挑选一个主题，譬如2016的云端储存、2017的硬件安全、2018的量子运算。今年SoC中心同仁讨论题目时，发现几个值得留意的现象，包含Type-C应用普及性增高，GaN适用范围更广、触角伸及LiDAR，及IoT时代大量传感器的电池更换成为难题，使压电撷取技术的需求攀升，遂决定将主题定调在物联网与新式电源技术。

高效及高功率密度趋势，带动GaN成为新宠

EPC亚太区FAE总监Peter Cheng率先发表「eGaN FET与应用」演说，他强调当前数据中心、油电混合车的供电架构，正从12V朝向48V转换，如何提升48V供电架构的电源转换效率、功率密度，为重要课题；启用eGaN FET(氮化镓场效应晶体管)的DC/DC转换器，足以实现高效及高功率密度，可谓理想解方。

有关48V转换，传统MOSFET需要更高阻隔电压易导致品质因数(FOM)变差，若改用100V eGaN FET，开关品质因数参数比MOSFET低4倍；换言之若以相同电感器、导通阻抗为前提，比较基于MOSFET与eGaN FET的48V-12V降压转换器之电路性能，后者将挟着更低Qg与Qoss、趋近于零的Qrr等众多优势完胜前者。

国研院台湾半导体研究中心(TSRI)邹安杰博士，分享All GaN整合电路的制程与挑战。近年因技术突破带动GaN市场大开，若与同等级Silicon相比，GaN的Ron明显较小，以致芯片面积更小、元件耐压程度更高，在车载充电器、PV Inverter等产品应用具有优势。

谈及All GaN技术挑战，首先落在p-GaN E-mode，残留p-GaN会形成漏电途径、导致w/o变差，故TSRI成立All GaN平台三年来致力改良蚀刻技术，确保每个p-GaN都被蚀刻乾净。其次在于缩小临界电压(Threshold Voltage)的变化，故需制作All GaN IC，以同一Chip组合E-mode和D-mode元件，不再采取典型「Si CMOS gate driver+GaN power device」设计，使Switching效率更高。此外TSRI 积极发展元件散热技术，将Wafer减薄，再于芯片背面开孔、填入铜，接着做二次CMP及Dicing，以增强散热效果。

立錡科技何昌佑处长，阐述如何实现USB PD在手机快充之应用。他指出手机用户普遍担心电池续航力不足，未来5G预期将使手机能耗增20%，导致快充重要性与日俱增；快充关键技术为USB PD，可输出高达100W电力，支持快充、数据传输与供电同时进行，由手机、平板、笔记本电脑或显示器等Type-C装置共享同一充电头。

手机快充技术迄今发展到第三代，第二代由Adapter担任Charger，手机端仅扮演Switcher，濒临充饱时才由手机端Charger接手；第三代进入高压直充格局，因Charge、Switch行为皆在Adapter，能量损耗最低、转换效率最高。USB PD TA设计挑战来自Power需求愈来愈大、功率密度愈来愈高，且输出电压不再固定(可变范围落在3.3V~21V)；立錡规划的高密度、低BOM Cost之TA方案，系将SR、MCU整合为一(由MCU弹性支持各家不同协定)，未来将导入ZVS零电压切换结构与GaN Device，以增进效率。

台大SoC中心陈景然教授，分享应用于USB PD的返驰式转换器之小信号模型与自调式控制。他提到因为USB PD应用具宽广输出电压，业界常用的变频电流模式控制(VFPCM)容易在某些操作条件下有不稳定现象，过去由于没有小信号模型，不易设计补偿器以确保系统稳定。陈教授主持之电力电子实验室首次提出小信号模型，由推导之Vc到Vo小信号转换函数，提供设计补偿器准则，确保稳定度与相位余裕，并据此提出适应性控制机制，可降低负载变动时输出电压变动达40%，相当于可减少40%输出电容，降低转换器体积与成本。

善用压电撷取技术，化解传感器供电难题

同样来自台大SoC中心的吴文中教授分享压电撷取技术，利用振动能转换为传感器所需电能，以解决传感装置供电难题。目前他已研发出小于1平方厘米Chip Area的微压电能源撷取元件，在一般马达或风扇的微小振动可以输出约100 uW的功率，在更高的振动量下最高甚至可输出达300~400 uW功率。已可满足一般物联网传感装置电力需求，在未来也可以SIP(system in a package)技术跟微机电传感器与物联网无线通讯IC封装在一起，堪称重大突破。

本次活动的压轴为陈景然主持的互动论坛，与谈人除包括Peter Cheng、邹安杰、何昌佑及吴文中等各个议程的讲师，另加入强弦科技CEO赖致廷、GV Semiconductor技术长陈正闵。

针对GaN议题，陈正闵指出因高压控制器无法驱动GaN Device，以致有些应用无法从MOSFET直接替换为GaN，显见发展GaN Driver以控制Device，对市场拓展极其重要。Peter Cheng说近十年GaN的发展，期初连Driver IC都没有，现在逐渐有IC、扩展更多元应用，展望未来如何有效整合材料、制程、用户驱动，势必愈趋重要。赖致廷认为将Driver与GaN结合，已变成SoC世界，后续可整合的标的甚多，想像空间颇大。

有关USB PD，何昌佑说随着手机、笔记本电脑、显示器、电视输出相继支持Type-C，未来可望形成更大USB PD生态系，真正减少因「每个装置各有Adapter」产生的垃圾。吴文中指出，部份装置如电竞笔记本电脑，需消耗100W以上电力，现阶段不见得适用USB PD，但下一代USB PD可望支持150W功率信号，值得期待。

总括而论，此次论坛针对众所关切的GaN、USB PD乃至能源猎取技术，皆有颇为深入的探讨，让关注新式电源技术的听众们获益良多。