电源管理设计发展仍不脱高效、成本等关键议题
- 洪千惠／DIGITIMES企划
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电源管理系统设计一直以来都是整体系统的重要关键之一，从直流电系统乃至于交流电的电力转换，皆不脱此一范畴，这也包括了第三代功率半导体元件与电源管理芯片本身的供电管理的设计，若能在效能、成本与效率等面向做到最佳化，对于整体系统的竞争力有相当大的帮助，也因此DIGITIMES举办「电源管理芯片设计应用」论坛，就电源管理系统设计的不同面向进行探讨。
GaN FET产品朝向高整合度发展，SiC则需思考封装设计议题
国立阳明交通大学电子研究所教授崔秉钺于开场演讲时，就学界的角度分享碳化矽（SiC）元件相关技术的发展动态，以及目前阳明交大在碳化矽基础研究上的相关进展。崔秉钺在演讲时，钜细靡遗地谈到碳化矽元件大致上可以分为SBD（Schottky Barrier Diode；萧特基二极管）以及MOSFET（金氧半场效晶体管）两种类别，这两种类别的碳化矽元件也是目前市场需求最大的产品；宏观来看，碳化矽的发展与当年的矽半导体发展路径相当雷同，只是前者晚了后者三十年的时间。
而以SBD元件来看，在结构上又可以细分为JBS与MPS两种，结构上也颇为类似。传统上，单纯的金属与半导体接面二极管，会有漏电流偏高的情况，采用JBS的设计可以降低漏电流，也是目前SBD市场常见的设计。此外，沟槽结构的SBD，例如TJBS（Trench JBS）或是TMBS（Trench MOS Barrier Schottky），可以进一步降低JBS的漏电流，但是尚无成熟的产品，是下一阶段的挑战。
在MOSFET方面，平面通道的VDMOSFET和沟槽式的UMOSFET都已经有成熟的产品，但是在设计和制程技术上还有精进的空间。阳明交通大学近期在SBD和MOSFET元件都有国际水准的成果。3300V以上的碳化矽功率元件可能需要超接面技术来降低功率损耗，这对碳化矽来说是非常大的挑战。
德州仪器（TI）系统应用工程师陈扬霖则是就TI在GaN（氮化镓）功率元件的布局进行介绍。陈扬霖表示，过去大家对于GaN的使用经验并不是太好，以为它与传统的MOSFET相同可以直接进行替换，没想到电路往往就炸了。究其原因在于GaN这个功率元件本身相当敏感，必须在电路布局（Layout）上有所调整，不然容易发生问题。
为回应这样的需求，TI推出将驱动IC（Driver）与GaN FET加以整合的产品，让既有PCB的外部电路变得更加乾净，可以让开关速度有所提升之外，电路炸掉的机会也会降低不少。陈扬霖以他个人经验分享，这类整合型的产品内建了过电压与过电流保护与传感的电路设计，电路炸掉的机会可说相当低。
英飞凌科技资深工程师张家瑞，则是从AI服务器的角度切入进行发表。他提到，该议题在2023年下半相当火红，但大致上电源相关的电路设计架构并没有因此而改变；重点在于，MOSFET产品本身具备不同的封装设计，所带来的电感长度（nH）也会有所不同，如果客户想要在服务器设计高功率系统，建议尽可能使用TOLL（To-Leadless）封装的碳化矽MOSFET为宜，而不是较为传统的TO-247封装设计，因为前者的电感长度约莫为8.nH，但后者却高达14.6nH，而系统本身的回路电感长度能够影响整个电路的效率表现，因此相当重要。
虽然采用TOLL封装对于电路设计的dv/dt of Vds数值较高，也意味着电路的EMI问题不易解决，但优秀的电源设计工程师，可以利用好的电路布局（Layout）设计解决此一难题。此外，散热并非是电路设计工程师所要在意的重点，开关损耗才是整个电路设计的关键问题，那麽采用碳化矽MOSFET的TOLL封装，会是电路工程师的最佳选择。
意法半导体(ST)亚太区电源与能源技术方案中心经理杨镇纶，从软硬整合的方向向大家说明，ST从交流电到直流电的系统设计，在硬件端拥有相当完整的电路解决方案，从控制器、驱动IC、功率元件等，软件面也有演算法配合，可以提供给客户完整的解决方案，无一遗漏。
事实上，ST也是全球少数唯一能同时提供碳化矽MOSFET与GaN FET元件的整合元件厂（IDM）业者。碳化矽MOSFET方面，可以满足电动车、充电桩、数据中心的电源供应、工业驱动马达与再生能源等应用，综观这些应用，未来所需要的电压范围势必还会再提升，所以相关的功率元件的耐压等级也会再更上层楼，甚至上看2800V也不是问题，目前ST已有2200V的产品线就位，以因应现阶段市场需求。
在GaN FET元件方面，ST也提供了以系统级封装为其基础的产品，将GaN FET元件与半桥驱动IC加以整合，概念上与TI雷同，但除此之外，ST的VIPerGaN是将FlyBack与GaN FET元件加以整合，为客户提供更多元的产品组合。
富士康以MIH为基础，呼吁打造台湾半导体零组件国家队
富士康研究院半导体研究所所长郭浩中，从全球主要政府的政策与电动车市场的发展切入，指出全球电动车的市场长期来看成长可期；在电压需求上，现阶段是以800V为主，未来朝向1200V，甚至更高等级的电压，也是预料中的事。碳化矽除了在耐高压、高电流与高温等物理特性上，明显优于矽制程的功率开关元件已是市场共识，两者在开关表现上所呈现的效率差距，也是相当明显，在关闭状态下，两者之间的效率落差达88%，打开状态下则有34%。
此外，面对国内在碳化矽上的大举投入，台湾拥有的是高度整合的能力，富士康希望在MIH联盟的基础上，让台湾的上中下游产业彼此之间可以加强化合作，以建构虚拟IDM的模式，为台湾打造专属的电动车半导体零组件国家队。
打造优异功率系统设计，模拟与量测缺一不可
乾坤科技技术长詹益仁的分享，则是从服务器CPU与GPU的发展历程出发，说明服务器电源设计近年来的演变。詹益仁指出，以NVIDIA近代的Server GPU演化来看，28nm对比4nm的Hopper GPU，在功耗表现上增加三倍之多，但在效能提升上，则是整整增加了十二倍；换言之，GPU持续采用先进制程可以抑制整体系统功耗的过度增加。客观来说，整个系统的功率密度未来只会不断提升，所以在直流电源的设计上，就必须要有所因应。在解决方案的设计上，必须借重许多不同模拟软件供应商的奥援，也必须要有一个团队，从各个面向来解决电源系统设计的各项物理问题，如材料、散热、电力供应等，来设计出更好的解决方案，满足服务器直流电源系统的需求。
Ansys资深应用工程师郭宗男博士则是延续了詹益仁的看法，分享模拟软件对于功率半导体与电源设计所扮演的角色。郭宗男指出，第三类功率半导体与相关系统设计所带来的挑战，不外乎是成本、EMC、安全、效率、寿命与功率密度等问题需要同时兼顾，而有一些高度整合的设计与散热问题，都会对系统设计最佳化带来更多挑战；尤其超过20kHz的开关频率，所带来的寿命问题不容忽视。郭宗男谈到，以模拟软件的设计流程来说，第一步自然是先确认产品规格，接下来就是针对系统的拓墣设计来进行分析，之后是进行零组件的导入与电路布局的阶段，后面的流程还有样品的试作与封测等。
Ansys可以提供各种模拟软件工具，就不同的流程来协助客户完成各自的阶段任务，甚至也从功能性验证的角度，可以反向回推既有的设计概念，有哪些地方需要进行修正。
品勋科技技术协理Vincent Lin则是从量测角度出发，说明第三类半导体及其相关应用开发所需要的测试方案。Vincent Lin表示，品勋科技整合了国际量测仪器大厂是德科技的各项量测软件产品，为市场提供完整的测试方案，可以为客户提供高达3kV的电压测试，也能设定小的导通阻抗以及驱动电流的测试，另外也能搭配温度变化，来测试系统的老化现象。
除了完成测试工作，也能将后续所需要的数值与图表直接绘制出来。事实上，第三类半导体的驱动电流的量测有不少的挑战，像是不易取得精准的电流波形、偶发的异常信号也难以取得，并且也无法快速识别，所以是德科技也有提供如CX3300电流波形分析仪来协助客户解决量测困难。
消费性电子电源芯片方案，朝高整合与弹性化设计发展
台湾亚德诺半导体（ADI）Staff FAE方怡旻表示，ADI在小型化电子产品其实也有所着墨，其产品主力为SIMO（Single Inductor Multiple Outputs）电源管理芯片，主要锁定消费性电子应用。传统上，消费性电子的电源管理设计，需要三组的Inductor（电感）元件才能做到三组的Output（电力输出），但ADI仅用一组Inductor就能办到。以电源管理设计的逻辑来说，从USB充电的路径出发，再到SoC、相关功能芯片与电池的供电管理等，都需要仰赖电源管理芯片的帮忙，ADI的SIMO方案能够满足前述所提及的各项功能。与此同时，系统体积本身也要愈做愈小，加上成本也是重要考量之一，单以PCB的电路设计来说，相较于传统设计，ADI的方案最多可以省下20%的空间。
而谈到消费性电子的充电，当前主要规格以USB为大宗，Power Integrations Senior FAE王仁汶指出，USB PD为了要支持更多消费性电子的充电，在功率上势必要有所提升，甚至要提供较小的功率给不同的产品来使用，目前的功率等级已经提升至240W水准，如此一来也能支持笔记本电脑产品的应用。
王仁汶表示，Power Integrations的InnoSwitch系列，因应功率恒定、数码程序设计与最小零组件数量等需求，有着相当丰富的产品组合，更甚者，也有提供GaN FET与控制芯片整合的高度整合方案。而InnoSwitch4-Pro方案，也将充电功率提升至220W，效率达98.5%，在电路设计的概念上，是采取可数码化的返驰式设计。
罗姆半导体（ROHM）台湾技术中心副理黄昱翔则是以与恩智浦半导体（NXP）合作为其出发点，说明罗姆以自身的电源管理芯片搭配恩智浦半导体的i.MX处理器系列，并提供一系列的完整方案加以对应。黄昱翔说明，两间业者的合作早在2013年就已开始，时间早于飞思卡尔半导体被恩智浦收购之前，所以合作时间已长达十年之久。
此外，罗姆的电源管理芯片可以因应客户需求采取可程序化的设计，而且无需其他外部电源的设计电路，本身也具备过电压与过电流的设计，再加上有接脚兼容，所以客户在设计上具备高度弹性，要更换不同的i.MX平台，电源管理芯片也能随之对应处理。
宏观来看，从电源管理设计的角度出发，小至消费性电子大至服务器与车用电源设计，所需要的电源管理芯片类别相当多元，在这当中亦包含了诸多功率元件。随着系统需求不断增长，以及功率密度的增加，牵动了许多芯片必须有所整合，亦或是优化功率元件的设计结构与封装，背后所代表的，是各个大厂的技术竞逐，
展望未来，因应节能永续议题，电源管理芯片的技术竞逐，应会不断持续。
