整合驱动器于单一封装中 TI 的GaN技术更具优势

在电源设计领域中，GaN FET(氮化镓场效应晶体管)由于拥有更快的开关频率特性，随着技术的成熟，近来已快速成长，成为众多业者竞逐的新战场。拥有深厚电源技术实力的德州仪器(TI)，在这波GaN兴起的新浪潮中，试图藉由提供具备更高整合度与保护功能的解决方案来凸显其GaN解决方案的优势，以抢占市场先机，并协助客户克服采用此新技术的设计挑战。

GaN为电源设计带来新契机

TI半导体行销与应用经理萧进皇表示，与传统的MOSFET相比，开关速度快是GaN这类第三代半导体元件的主要特点，使电源转换的切换频率可以增加，进而减少切换损失。

此外，更重要的是，它的反向复原(reverse recovery)时间为零，因此能够采用半桥式或图腾柱(totem pole)的拓朴设计。「传统MOSFET采用的PFC架构，需用到六颗功率元件，而图腾柱拓朴是由四颗元件所组成，减少了两颗功率元件，就表示能够减少两个元件的转换耗损。这是GaN相较于MOSFET的一个主要优势。」

「切换频率的增加，意味着可以选用体积更小的磁性元件，而切换损失的降低，则表示热量散失少，进而可缩小机构的尺寸。综合这些效益，不仅能使终端产品的设计更为轻薄短小，还能有效提升电源效率与功率密度。根据客户实际应用的结果显示，与MOSFET相比，其功率密度可提高1.5~2倍，所以，我们可以说，对于推动高功率密度设计的实现，GaN技术将扮演重要角色。」

因此，在各类电子产品推陈出新以及要求节能减碳的两大趋势推动下，GaN功率元件展现出强劲的成长态势，为电源设计带来了新的变革与机会。

TI整合式GaN技术的主要优势

然而，切换速度快也带来了新的设计挑战。萧进皇解释说，GaN FET需要驱动器来推动其开关。当速度变快时，走线布局就要非常小心，免得因为走线的寄生电容及电感造成误开或误关。

「理想上，驱动器与GaN FET要越近越好，才能减少工程师的布线工作，目前市场上许多GaN产品都是离散式元件，并未把驱动器整合在一起。我们确实观察到，这使工程师在设计时面临了更高的难度。对此，TI特别把驱动器整合在GaN封装中，协助他们克服此问题。」

他强调，TI提供的不仅是单纯的GaN元件，而是整合式方案，除了驱动器之外，还结合了过流保护功能。透过把电流侦测整合在封装中，设计人员无需建置额外的短路保护电路，便能自动侦测并处理过电流、短路、过低电压与过热情况。若发生暂态短路现象，还能重现情况，帮助除错找出设计缺失，以避免再次发生。

此外，它还有温度通报功能，相较于传统采用热敏电阻的间接温度量测方式，透过直接的温度量测，并把信号传到数码控制器，能更精准的实现温度监控与主动电源管理。

应用多元 善用设计资源加速产品开发

萧进皇表示，包括服务器和数据中心的电源供应器、汽车充电设施等应用，都已经开始采用GaN设计。在消费性电子方面，随着电竞笔记本电脑功率朝200W~300W发展，已有业者测试导入GaN元件，以缩小产品尺寸，此外，像是大尺寸电视等产品，也都有机会。

「对电源工程师来说，可能较不熟悉GaN特性与图腾柱拓朴，为了降低导入此新技术的门槛，TI可提供完整的参考设计，并可搭配处理能力达240MIPS的新一代C2000数码控制器，打造出兼具高功率密度与高效率的数码电源系统。」

而导入GaN元件除了须克服切换速度快的设计挑战之外，从系统级的设计观点来看，PCB布线若不理想，造成的寄生电容增加也会影响系统效能。此外，为了实现产品小型化的目标，包括周边元件、散热片的选用也是关键。针对这些问题，TI也都能提供相关的布局建议与散热片设计指引，协助客户加速产品开发，实现最佳化的高功率密度电源设计。