整合驅動器於單一封裝中 TI 的GaN技術更具優勢

在電源設計領域中，GaN FET(氮化鎵場效應電晶體)由於擁有更快的開關頻率特性，隨著技術的成熟，近來已快速成長，成為眾多業者競逐的新戰場。擁有深厚電源技術實力的德州儀器(TI)，在這波GaN興起的新浪潮中，試圖藉由提供具備更高整合度與保護功能的解決方案來凸顯其GaN解決方案的優勢，以搶佔市場先機，並協助客戶克服採用此新技術的設計挑戰。

GaN為電源設計帶來新契機

TI半導體行銷與應用經理蕭進皇表示，與傳統的MOSFET相比，開關速度快是GaN這類第三代半導體元件的主要特點，使電源轉換的切換頻率可以增加，進而減少切換損失。

此外，更重要的是，它的反向復原(reverse recovery)時間為零，因此能夠採用半橋式或圖騰柱(totem pole)的拓樸設計。「傳統MOSFET採用的PFC架構，需用到六顆功率元件，而圖騰柱拓樸是由四顆元件所組成，減少了兩顆功率元件，就表示能夠減少兩個元件的轉換耗損。這是GaN相較於MOSFET的一個主要優勢。」

「切換頻率的增加，意味著可以選用體積更小的磁性元件，而切換損失的降低，則表示熱量散失少，進而可縮小機構的尺寸。綜合這些效益，不僅能使終端產品的設計更為輕薄短小，還能有效提升電源效率與功率密度。根據客戶實際應用的結果顯示，與MOSFET相比，其功率密度可提高1.5~2倍，所以，我們可以說，對於推動高功率密度設計的實現，GaN技術將扮演重要角色。」

因此，在各類電子產品推陳出新以及要求節能減碳的兩大趨勢推動下，GaN功率元件展現出強勁的成長態勢，為電源設計帶來了新的變革與機會。

TI整合式GaN技術的主要優勢

然而，切換速度快也帶來了新的設計挑戰。蕭進皇解釋說，GaN FET需要驅動器來推動其開關。當速度變快時，走線布局就要非常小心，免得因為走線的寄生電容及電感造成誤開或誤關。

「理想上，驅動器與GaN FET要越近越好，才能減少工程師的佈線工作，目前市場上許多GaN產品都是離散式元件，並未把驅動器整合在一起。我們確實觀察到，這使工程師在設計時面臨了更高的難度。對此，TI特別把驅動器整合在GaN封裝中，協助他們克服此問題。」

他強調，TI提供的不僅是單純的GaN元件，而是整合式方案，除了驅動器之外，還結合了過流保護功能。透過把電流偵測整合在封裝中，設計人員無需建置額外的短路保護電路，便能自動偵測並處理過電流、短路、過低電壓與過熱情況。若發生暫態短路現象，還能重現情況，幫助除錯找出設計缺失，以避免再次發生。

此外，它還有溫度通報功能，相較於傳統採用熱敏電阻的間接溫度量測方式，透過直接的溫度量測，並把訊號傳到數位控制器，能更精準的實現溫度監控與主動電源管理。

應用多元 善用設計資源加速產品開發

蕭進皇表示，包括伺服器和資料中心的電源供應器、汽車充電設施等應用，都已經開始採用GaN設計。在消費性電子方面，隨著電競筆電功率朝200W~300W發展，已有業者測試導入GaN元件，以縮小產品尺寸，此外，像是大尺寸電視等產品，也都有機會。

「對電源工程師來說，可能較不熟悉GaN特性與圖騰柱拓樸，為了降低導入此新技術的門檻，TI可提供完整的參考設計，並可搭配處理能力達240MIPS的新一代C2000數位控制器，打造出兼具高功率密度與高效率的數位電源系統。」

而導入GaN元件除了須克服切換速度快的設計挑戰之外，從系統級的設計觀點來看，PCB佈線若不理想，造成的寄生電容增加也會影響系統效能。此外，為了實現產品小型化的目標，包括周邊元件、散熱片的選用也是關鍵。針對這些問題，TI也都能提供相關的布局建議與散熱片設計指引，協助客戶加速產品開發，實現最佳化的高功率密度電源設計。