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断链之后
 

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,亦象征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,他强调当前资料中心、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质量因数(FOM)变差,若改用100V eGaN FET,开关质量因数参数比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,后者将挟著更低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集成电路的制程与挑战。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都被蚀刻干净。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,接著做二次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、资料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集成为一(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,过去由于没有小讯号模型,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讯号模型,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,以解决感测装置供电难题。目前他已研发出小于1平方公分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感测装置电力需求,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,另加入强弦科技执行长赖致廷、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,展望未来如何有效集成材料、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,后续可集成的标的甚多,想象空间颇大。

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功率讯号,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。

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