電源管理設計發展仍不脫高效、成本等關鍵議題
- 洪千惠／DIGITIMES企劃
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電源管理系統設計一直以來都是整體系統的重要關鍵之一，從直流電系統乃至於交流電的電力轉換，皆不脫此一範疇，這也包括了第三代功率半導體元件與電源管理晶片本身的供電管理的設計，若能在效能、成本與效率等面向做到最佳化，對於整體系統的競爭力有相當大的幫助，也因此DIGITIMES舉辦「電源管理晶片設計應用」論壇，就電源管理系統設計的不同面向進行探討。
GaN FET產品朝向高整合度發展，SiC則需思考封裝設計議題
國立陽明交通大學電子研究所教授崔秉鉞於開場演講時，就學界的角度分享碳化矽（SiC）元件相關技術的發展動態，以及目前陽明交大在碳化矽基礎研究上的相關進展。崔秉鉞在演講時，鉅細靡遺地談到碳化矽元件大致上可以分為SBD（Schottky Barrier Diode；蕭特基二極體）以及MOSFET（金氧半場效電晶體）兩種類別，這兩種類別的碳化矽元件也是目前市場需求最大的產品；宏觀來看，碳化矽的發展與當年的矽半導體發展路徑相當雷同，只是前者晚了後者三十年的時間。
而以SBD元件來看，在結構上又可以細分為JBS與MPS兩種，結構上也頗為類似。傳統上，單純的金屬與半導體接面二極體，會有漏電流偏高的情況，採用JBS的設計可以降低漏電流，也是目前SBD市場常見的設計。此外，溝槽結構的SBD，例如TJBS（Trench JBS）或是TMBS（Trench MOS Barrier Schottky），可以進一步降低JBS的漏電流，但是尚無成熟的產品，是下一階段的挑戰。
在MOSFET方面，平面通道的VDMOSFET和溝槽式的UMOSFET都已經有成熟的產品，但是在設計和製程技術上還有精進的空間。陽明交通大學近期在SBD和MOSFET元件都有國際水準的成果。3300V以上的碳化矽功率元件可能需要超接面技術來降低功率損耗，這對碳化矽來說是非常大的挑戰。
德州儀器（TI）系統應用工程師陳揚霖則是就TI在GaN（氮化鎵）功率元件的布局進行介紹。陳揚霖表示，過去大家對於GaN的使用經驗並不是太好，以為它與傳統的MOSFET相同可以直接進行替換，沒想到電路往往就炸了。究其原因在於GaN這個功率元件本身相當敏感，必須在電路布局（Layout）上有所調整，不然容易發生問題。
為回應這樣的需求，TI推出將驅動IC（Driver）與GaN FET加以整合的產品，讓既有PCB的外部電路變得更加乾淨，可以讓開關速度有所提升之外，電路炸掉的機會也會降低不少。陳揚霖以他個人經驗分享，這類整合型的產品內建了過電壓與過電流保護與感測的電路設計，電路炸掉的機會可說相當低。
英飛凌科技資深工程師張家瑞，則是從AI伺服器的角度切入進行發表。他提到，該議題在2023年下半相當火紅，但大致上電源相關的電路設計架構並沒有因此而改變；重點在於，MOSFET產品本身具備不同的封裝設計，所帶來的電感長度（nH）也會有所不同，如果客戶想要在伺服器設計高功率系統，建議儘可能使用TOLL（To-Leadless）封裝的碳化矽MOSFET為宜，而不是較為傳統的TO-247封裝設計，因為前者的電感長度約莫為8.nH，但後者卻高達14.6nH，而系統本身的迴路電感長度能夠影響整個電路的效率表現，因此相當重要。
雖然採用TOLL封裝對於電路設計的dv/dt of Vds數值較高，也意味著電路的EMI問題不易解決，但優秀的電源設計工程師，可以利用好的電路布局（Layout）設計解決此一難題。此外，散熱並非是電路設計工程師所要在意的重點，開關損耗才是整個電路設計的關鍵問題，那麼採用碳化矽MOSFET的TOLL封裝，會是電路工程師的最佳選擇。
意法半導體(ST)亞太區電源與能源技術方案中心經理楊鎮綸，從軟硬整合的方向向大家說明，ST從交流電到直流電的系統設計，在硬體端擁有相當完整的電路解決方案，從控制器、驅動IC、功率元件等，軟體面也有演算法配合，可以提供給客戶完整的解決方案，無一遺漏。
事實上，ST也是全球少數唯一能同時提供碳化矽MOSFET與GaN FET元件的整合元件廠（IDM）業者。碳化矽MOSFET方面，可以滿足電動車、充電樁、資料中心的電源供應、工業驅動馬達與再生能源等應用，綜觀這些應用，未來所需要的電壓範圍勢必還會再提升，所以相關的功率元件的耐壓等級也會再更上層樓，甚至上看2800V也不是問題，目前ST已有2200V的產品線就位，以因應現階段市場需求。
在GaN FET元件方面，ST也提供了以系統級封裝為其基礎的產品，將GaN FET元件與半橋驅動IC加以整合，概念上與TI雷同，但除此之外，ST的VIPerGaN是將FlyBack與GaN FET元件加以整合，為客戶提供更多元的產品組合。
鴻海以MIH為基礎，呼籲打造台灣半導體零組件國家隊
鴻海研究院半導體研究所所長郭浩中，從全球主要政府的政策與電動車市場的發展切入，指出全球電動車的市場長期來看成長可期；在電壓需求上，現階段是以800V為主，未來朝向1200V，甚至更高等級的電壓，也是預料中的事。碳化矽除了在耐高壓、高電流與高溫等物理特性上，明顯優於矽製程的功率開關元件已是市場共識，兩者在開關表現上所呈現的效率差距，也是相當明顯，在關閉狀態下，兩者之間的效率落差達88%，打開狀態下則有34%。
此外，面對中國在碳化矽上的大舉投入，台灣擁有的是高度整合的能力，鴻海希望在MIH聯盟的基礎上，讓台灣的上中下游產業彼此之間可以加強化合作，以建構虛擬IDM的模式，為台灣打造專屬的電動車半導體零組件國家隊。
打造優異功率系統設計，模擬與量測缺一不可
乾坤科技技術長詹益仁的分享，則是從伺服器CPU與GPU的發展歷程出發，說明伺服器電源設計近年來的演變。詹益仁指出，以NVIDIA近代的Server GPU演化來看，28nm對比4nm的Hopper GPU，在功耗表現上增加三倍之多，但在效能提升上，則是整整增加了十二倍；換言之，GPU持續採用先進製程可以抑制整體系統功耗的過度增加。客觀來說，整個系統的功率密度未來只會不斷提升，所以在直流電源的設計上，就必須要有所因應。在解決方案的設計上，必須借重許多不同模擬軟體供應商的奧援，也必須要有一個團隊，從各個面向來解決電源系統設計的各項物理問題，如材料、散熱、電力供應等，來設計出更好的解決方案，滿足伺服器直流電源系統的需求。
Ansys資深應用工程師郭宗男博士則是延續了詹益仁的看法，分享模擬軟體對於功率半導體與電源設計所扮演的角色。郭宗男指出，第三類功率半導體與相關系統設計所帶來的挑戰，不外乎是成本、EMC、安全、效率、壽命與功率密度等問題需要同時兼顧，而有一些高度整合的設計與散熱問題，都會對系統設計最佳化帶來更多挑戰；尤其超過20kHz的開關頻率，所帶來的壽命問題不容忽視。郭宗男談到，以模擬軟體的設計流程來說，第一步自然是先確認產品規格，接下來就是針對系統的拓墣設計來進行分析，之後是進行零組件的導入與電路布局的階段，後面的流程還有樣品的試作與封測等。
Ansys可以提供各種模擬軟體工具，就不同的流程來協助客戶完成各自的階段任務，甚至也從功能性驗證的角度，可以反向回推既有的設計概念，有哪些地方需要進行修正。
品勛科技技術協理Vincent Lin則是從量測角度出發，說明第三類半導體及其相關應用開發所需要的測試方案。Vincent Lin表示，品勛科技整合了國際量測儀器大廠是德科技的各項量測軟體產品，為市場提供完整的測試方案，可以為客戶提供高達3kV的電壓測試，也能設定小的導通阻抗以及驅動電流的測試，另外也能搭配溫度變化，來測試系統的老化現象。
除了完成測試工作，也能將後續所需要的數值與圖表直接繪製出來。事實上，第三類半導體的驅動電流的量測有不少的挑戰，像是不易取得精準的電流波形、偶發的異常訊號也難以取得，並且也無法快速識別，所以是德科技也有提供如CX3300電流波形分析儀來協助客戶解決量測困難。
消費性電子電源晶片方案，朝高整合與彈性化設計發展
台灣亞德諾半導體（ADI）Staff FAE方怡旻表示，ADI在小型化電子產品其實也有所著墨，其產品主力為SIMO（Single Inductor Multiple Outputs）電源管理晶片，主要鎖定消費性電子應用。傳統上，消費性電子的電源管理設計，需要三組的Inductor（電感）元件才能做到三組的Output（電力輸出），但ADI僅用一組Inductor就能辦到。以電源管理設計的邏輯來說，從USB充電的路徑出發，再到SoC、相關功能晶片與電池的供電管理等，都需要仰賴電源管理晶片的幫忙，ADI的SIMO方案能夠滿足前述所提及的各項功能。與此同時，系統體積本身也要愈做愈小，加上成本也是重要考量之一，單以PCB的電路設計來說，相較於傳統設計，ADI的方案最多可以省下20%的空間。
而談到消費性電子的充電，當前主要規格以USB為大宗，Power Integrations Senior FAE王仁汶指出，USB PD為了要支援更多消費性電子的充電，在功率上勢必要有所提升，甚至要提供較小的功率給不同的產品來使用，目前的功率等級已經提升至240W水準，如此一來也能支援筆電產品的應用。
王仁汶表示，Power Integrations的InnoSwitch系列，因應功率恆定、數位程式設計與最小零組件數量等需求，有著相當豐富的產品組合，更甚者，也有提供GaN FET與控制晶片整合的高度整合方案。而InnoSwitch4-Pro方案，也將充電功率提升至220W，效率達98.5%，在電路設計的概念上，是採取可數位化的返馳式設計。
羅姆半導體（ROHM）台灣技術中心副理黃昱翔則是以與恩智浦半導體（NXP）合作為其出發點，說明羅姆以自身的電源管理晶片搭配恩智浦半導體的i.MX處理器系列，並提供一系列的完整方案加以對應。黃昱翔說明，兩間業者的合作早在2013年就已開始，時間早於飛思卡爾半導體被恩智浦收購之前，所以合作時間已長達十年之久。
此外，羅姆的電源管理晶片可以因應客戶需求採取可程式化的設計，而且無需其他外部電源的設計電路，本身也具備過電壓與過電流的設計，再加上有接腳相容，所以客戶在設計上具備高度彈性，要更換不同的i.MX平台，電源管理晶片也能隨之對應處理。
宏觀來看，從電源管理設計的角度出發，小至消費性電子大至伺服器與車用電源設計，所需要的電源管理晶片類別相當多元，在這當中亦包含了諸多功率元件。隨著系統需求不斷增長，以及功率密度的增加，牽動了許多晶片必須有所整合，亦或是優化功率元件的設計結構與封裝，背後所代表的，是各個大廠的技術競逐，
展望未來，因應節能永續議題，電源管理晶片的技術競逐，應會不斷持續。
