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基于GaN的功率晶体管和集成电路硅分立功率器件

电子设计 ? 2021-04-23 11:27 ? 次阅读

过去的四十年中,随着功率MOSFET结构,技术和电路拓扑的创新与不断增长的电力需求保持同步,电源管理效率和成本稳步提高。然而,在新的千年中,随着硅功率MOSFET接近其理论极限,改进速度已大大降低。同时,一种新材料氮化镓(GaN)朝着理论性能极限的方向稳步发展,该性能极限是老化的MOSFET的6000倍,是当今市场上最好的GaN产品的300倍(图) 1)。

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图1:一平方毫米器件的理论导通电阻与基于Si和GaN的功率器件的阻断电压能力之间的关系。第4代(紫色点)和第5代(绿色星号)说明了GaN当前的最新性能。

起点

EPC的增强型氮化镓(eGaN?)FET已有十(10)年的生产历史,第五代器件的尺寸仅为第四代器件的一半,速度快两倍,并且价格与MOSFET。基于GaN的功率晶体管集成电路的早期成功最初源于GaN与硅相比的速度优势。GaN-on-Si晶体管的开关速度比MOSFET快10倍,比IGBT快100倍。

诸如4G / LTE基站的RF包络跟踪以及用于自动驾驶汽车,机器人,无人机和安全系统的光检测和测距(激光雷达)系统等应用是充分利用GaN高速交换能力的首批应用。随着这些早期应用的成功,GaN功率器件的产量不断增长,现在的价格与开关速度较慢且额定功率更大的MOSFET组件的价格相当(图2)。

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图2:与等效功率MOSFET相比,额定100 V的eGaN FET的分销商定价调查结果。eGaN FET价格显示在红色椭圆形内。

加速采用GaN功率器件

随着价格竞争力的跨越,更传统的大批量应用已开始采用GaN解决方案。电源设计人员认识到,eGaN FET可以为更高密度和更高效的48 V DC-DC电源做出重大贡献,而高密度计算应用则需要云计算,人工智能,机器学习和游戏应用。

汽车公司还开始在轻度混合动力汽车中采用48 V配电总线配电拓扑。这些汽车制造商的要求是针对48 V – 14 V双向转换器。它们还必须高效,可靠且具有成本效益。在接下来的两到三年内,将为其中几种系统设计的eGaN FET将出现在汽车上。

超越分立功率器件

除了性能和成本提高外,GaN半导体技术影响功率转换市场的最大机会还在于其将多个器件集成在单个衬底上的内在能力。与标准硅IC技术相比,GaN技术使设计人员能够以比仅使用硅技术更直接,更经济的方式在单个芯片上实现单片电源系统。

使用硅基氮化镓衬底制造的集成电路已经生产了五年以上。从那时起,基于GaN的IC经历了集成的各个“阶段”,从最初的纯分立器件到单片半桥组件,再到包括其自己的单片集成驱动器的FET,最近又发展到完全单片功率级,包含功率FET,驱动器,电平转换电路,逻辑和保护。

在2019年初,驱动器功能和单片半桥与电平转换器,同步升压电路,保护和输入逻辑一起合并到单个GaN-on-Si衬底上,如图3(a)和3(b)所示)。这个完整的功率级ePower?Stage可以以几兆赫兹的频率驱动,并由一个简单的以地为参考的CMOS IC控制,并且只需添加几个无源元件,就可以成为一个完整的DC-DC稳压器。图4显示了在48 VIN– 12 VOUT降压转换器中,该单片功率级在1 MHz和2.5 MHz时的效率。

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图3:(a)尺寸为3.9 mm x 2.6 mm的EPC2152单片ePower平台的图像,以及(b)等效电路图

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图4:使用EPC2152单片ePower Stage IC在1 MHz和2.5 MHz频率下,48 VIN– 12 VOUT降压转换器的效率与输出电流的关系,与使用分立式GaN晶体管和半硅片的相同电路的性能相比桥驱动器IC。

ePower?Stage可替换至少三个分立组件;栅极驱动器加上两个FET,使设计和制造更加容易。与图5所示的分立实施方案相比,这种单片GaN IC节省了至少33%的印刷电路板空间。该器件使设计人员可以轻松利用GaN技术带来的显着性能改进。集成的单片组件(例如ePower Stage)更易于设计,更易于布局,更易于组装,节省了PCB上的空间并提高了效率。

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图5:48 V – 12 V降压转换器的功率级分立实施与单片ePower?Stage实施的比较。集成可在PCB上节省33%的空间。

GaN功率组件之旅仍在继续…

上一部分中讨论的单片功率级IC具有与基于硅MOSFET的多芯片DrMOS模块相同的基本功能,但电压更高,开关速度更高,成本更低且占地面积更小。但是,这仅仅是GaN-on-Si器件集成机会的开始。这些第一代功率级仅包括电容器电阻器和横向n沟道FET。很快,就可以将电流和温度的额外检测与参考,比较器运算放大器之类的电路模块一起添加,以在单个芯片上构建集成的控制器以及输出级。还可以集成多级电源转换拓扑,从而可以用较低电压的功率器件实现较高的输入电压。

最终,p通道器件也将基于目前正在开发的许多有希望的结构之一进行单片集成。一旦可以集成互补的n通道和p通道设备,CMOS电路将成为可能,从而实现更高效的驱动器和逻辑电路。

通过进入30 MHz以上的极高频率,无源组件的尺寸变得如此之小,以至于有可能将完整电源转换器所需的所有组件集成在单个芯片上。从简单的分立式GaN FET开始的旅程正在稳步向完整的片上系统解决方案迈进(图6)。

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图6:eGaN技术从离散到完全集成的片上系统解决方案的历史和计划发展

编辑:hfy

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发表于 11-09 12:07 ? 50次 阅读
STPSC2H065B-TR STMicroelectronics STPSC 650V肖特基碳化硅二极管

MAX20766EPE+ Maxim Integrated MAX20766智能从设备IC

Integrated MAX20766智能从设备IC设计用于用于搭配Maxim第七代控制器使用,实现高密度多相稳压器。多达六个智能从设备集成电路加一个控制器集成电路,组成紧凑的同步降压转换器,它可以通过SMBus/PMBus?实现精确的单独相电流和温度报告。 Maxim MAX20766智能从设备IC为过热、VX短路和所有电源UVLO故障提供多种保护电路。如果检测到故障,则该器件立即关断,并向控制器IC发送信号。 MAX20766采用16引脚FCQFN封装(具有裸露的顶部散热焊盘)。顶部散热改善...
发表于 11-09 09:07 ? 73次 阅读
MAX20766EPE+ Maxim Integrated MAX20766智能从设备IC

ICS-40730 TDKInvenSenseICS40730低噪声麦克风

venSense ICS-40730低噪声麦克风是一款差分模拟输出、底部端口式微机电系统 (MEMS) 麦克风。ICS-40730集成有MEMS麦克风元件、阻抗转换器、差分输出放大器和增强型射频封装。该款低噪声麦克风具有高达74dBA的SNR、-32dBV差分灵敏度、-38dBV单端灵敏度、124dB SPL声学过载点以及±2dB灵敏度容差。典型应用包括智能家居设备、智能手机、电话会议系统、安防、监控、麦克风阵列、语音控制和激活。 特性 74dBA超高SNR 灵敏度: -32dBV差分灵敏度 -38dBV单端灵敏度 ±2dB灵敏度容差 非反相信号输出 25Hz至20kHz扩展频率响应 增强的射频性能 285µA电流消耗 124dB SPL...
发表于 11-09 09:07 ? 189次 阅读
ICS-40730 TDKInvenSenseICS40730低噪声麦克风

MAX22025AWA+ Maxim Integrated MAX2202x/F隔离式RS-485/RS-422收发器

Integrated MAX2202x/F隔离式RS-485/RS-422收发器可在器件的电缆侧(RS-485/RS-422驱动器/接收器侧)和UART侧之间提供3.5kVRMS数字电流隔离。当两个端口之间存在较大的接地电位差时,隔离通过中断接地环路来改善通信,并降低噪声。这些器件允许高达0.5Mbps或16Mbps的稳健通信。 MAX2202x/F隔离式RS-485/RS-422收发器具有Maxim专有的AutoDirection控制功能,因此非常适合用于隔离式RS-485端口等应用,其中驱动器输入与驱动器使能信号搭配使用以驱动差分总线。 MAX22025、MAX22027、MAX22025F和MAX22027F具有较低压&#...
发表于 11-09 09:07 ? 130次 阅读
MAX22025AWA+ Maxim Integrated MAX2202x/F隔离式RS-485/RS-422收发器

ICS-40212 TDKInvenSenseICS40212模拟麦克风

venSense ICS-40212模拟麦克风是一款微机电系统 (MEMS) 麦克风,具有极高动态范围和低功耗常开模式。该麦克风包含MEMS麦克风元件、阻抗转换器和输出放大器。ICS-40212在电源电压低于2V且工作电流为55μA时,采用低功耗工作模式。 ICS-40212麦克风具有128dB声压级 (SPL) 声学过载点(高性能模式下)、±1dB的严密灵敏度容差以及35Hz至20kHz扩展频率响应。该麦克风采用底部端口表面贴装封装,尺寸为3.5mm x 2.65mm x 0.98mm。典型应用包括智能手机、照相机和摄像机...
发表于 11-09 09:07 ? 138次 阅读
ICS-40212 TDKInvenSenseICS40212模拟麦克风

ICS-40638 TDKInvenSenseICS40638AOP模拟MEMS麦克风

venSense ICS-40638高声学过载点 (AOP) 模拟MEMS麦克风(带差分输出)具有极高的动态范围,工作温度高达105°C。ICS-40638包括一个MEMS麦克风元件、一个阻抗转换器和一个差分输出放大器。该麦克风具有138dB声压级 (SPL) 声学过载点、±1dB小灵敏度容差以及对辐射和传导射频干扰的增强抗扰度。该系列具有35Hz至20kHz扩展频率响应,采用紧凑型3.50mm × 2.65mm × 0.98 mm底部端口表面贴装封装。TDK InvenSense ICS-40638 AOP模拟MEMS麦克风应用包括汽车、相机和摄像机以及物联网 (IoT) 设备。 特性 差分非反向模拟输出 灵敏度:-43dBV(差分) 灵敏度容差:±1dB 35Hz至20kHz扩展频率响应 增强的射频抗扰度 PSRR:−81dB 3.50...
发表于 11-06 09:07 ? 221次 阅读
ICS-40638 TDKInvenSenseICS40638AOP模拟MEMS麦克风

DK-42688-P TDKInvenSenseDK42688P评估板

venSense DK-42688-P评估板是用于ICM-42688-P高性能6轴运动传感器的全面开发平台。该评估板设有用于编程和调试的板载嵌入式调试器和用于主机接口的USB连接器,可支持软件调试和传感器数据记录。DK-42688-P平台设计采用Microchip G55 MCU,可用于快速评估和开发基于ICM-42688-P的解决方案。TDK InvenSense DK-42688-P评估板配有必要的软件,包括基于GUI的开发工具InvenSense Motion Link,以及用于ICM-42688-P的嵌入式运动驱动器。 特性 用于ICM-42688-P 6轴运动传感器 带512KB闪存的Microchip G55 MCU 用于编程和调试的板载嵌入式调试器 用于主机接口的USB连接器 通过USB连接的电路板电源 ...
发表于 11-06 09:07 ? 94次 阅读
DK-42688-P TDKInvenSenseDK42688P评估板

STM32L4P5AGI6 STMicroelectronics STM32L4P5/STM32L4Q5 32位微控制器 (MCU)

oelectronics STM32L4P5/STM32L4Q5 32位微控制器 (MCU) 不仅扩展了超低功耗产品组合,还提高了产品性能,采用Arm? 树皮-M4内核(具有DSP和浮点单元 (FPU),频率为120MHz)。STM32L4P5产品组合具有512KB至1MB闪存,采用48-169引脚封装。STM32L4Q5具有1MB闪存,提供额外加密加速器引擎(AES、HASH和PKA)。 特性 超低功率,灵活功率控制 电源:1.71V至3.6V 温度范围:-40°C至85°C或-40°C至125°C 批量采集模式(BAM) VBAT模块中150nA:为RTC和32x32位储备寄存器供电 关断模式下,22nA(5个唤醒引脚ʌ...
发表于 11-06 09:07 ? 89次 阅读
STM32L4P5AGI6 STMicroelectronics STM32L4P5/STM32L4Q5 32位微控制器 (MCU)

ICS-52000 TDKInvenSenseICS52000带TDM数字输出的低噪声麦克风

venSense ICS‐52000是一款低噪声数字TDM输出底部端口麦克风,采用4mm × 3mm × 1mm小尺寸表面贴装封装。 ?该器件由MEMS传感器、信号调理、模数转换器、抽取和抗混叠滤波器、电源管理以及行业标准的24位TDM接口组成。 借助TDM接口,包括多达16个ICS‐52000麦克风的阵列可直接连接诸如DSP和微控制器等数字处理器,无需在系统中采用音频编解码器。 阵列中的所有麦克风都同步对其声信号进行采样,从而实现精确的阵列处理。 ICS‐52000具有65dBA的高SNR和宽带频率响应。 灵敏度容差为±1dB,可实现无需进行系统校准的高性能麦克风阵列。 ICS-52000具有两种电源状态:正常运行和待机模式。 该麦克风具有软取消静音功能,可防止上电时发出声音。 从ICS-52000开始输出数据时开始,音量将在256WS时钟周期内上升到满量程输出电平。 采样率为48kHz,该取消静音序列大约需要5.3ms。 The ICS‐52000 features a high SNR of 65dBA and a wideband frequency response. The sensitivity tolerance is ±1dB enabling high‐performance micropho...
发表于 11-05 17:07 ? 70次 阅读
ICS-52000 TDKInvenSenseICS52000带TDM数字输出的低噪声麦克风

IAM-20380 TDKInvenSenseIAM20380高性能陀螺仪

venSense IAM-20380高性能陀螺仪具有0.5VDD至4V电压范围、400kHz时钟频率以及-40°C至+85°C工作温度范围。IAM-20380具有3轴集成,因此制造商无需对分立器件进行昂贵且复杂的系统级集成。TDK InvenSense IAM-20380高性能陀螺仪非常适合用于汽车报警器、远程信息处理和保险车辆追踪应用。 特性 数字输出X、Y和Z轴角速率传感器(陀螺仪) 用户可编程满量程范围为±250dps、±500dps、±1000dps和±2000dps 集成16位ADC 用户可编程数字滤波器,用于陀螺仪和温度传感器 按照AEC-Q100执行&...
发表于 11-03 10:07 ? 86次 阅读
IAM-20380 TDKInvenSenseIAM20380高性能陀螺仪

MPF5024AMMA0ES NXP Semiconductors PF502x电源管理集成电路

502x电源管理集成电路 (PMIC) 在一个器件中集成了多个高性能降压稳压器。PF502x PMIC既可用作独立的负载点稳压器IC,也可用作较大PMIC的配套芯片。 NXP PF502x电源管理集成电路 (PMIC) 具有用于关键启动配置的内置一次性可编程 (OTP) 存储器存储。借助该OTP特性,可减少通常用于设置输出电压和稳压器序列的外部元件数量,从而打造时尚器件。启动后,稳压器参数可通过高速I2C进行&#...
发表于 11-02 12:06 ? 107次 阅读
MPF5024AMMA0ES NXP Semiconductors PF502x电源管理集成电路

T3902 TDKInvenSenseT3902低功耗多模麦克风

vensense T3902低功耗多模麦克风具有185μA至650μA电流范围、36Hz至>20kHz额定频率以及3.5mm × 2.65mm × 0.98mm表面贴装封装。T3902麦克风由一个MEMS麦克风元件和一个阻抗转换器放大器,以及之后的一个四阶调制器组成。T3902系列具有高性能、低功耗、标准和睡眠等工作模式。TDK Invensense T3902低功耗多模麦克风非常适合用于智能手机、相机、平板电脑以及安全和监控应用。 特性 3.5mm × 2.65mm × 0.98mm表面贴装封装 低功耗模式:185µA 扩展频率响应:36Hz至>20kHz 睡眠模式电流:12µA 高电源抑制 (PSR):-97dB FS 四阶∑-Δ调制器 数字脉冲密度调制 (PDM) 输...
发表于 10-30 11:06 ? 99次 阅读
T3902 TDKInvenSenseT3902低功耗多模麦克风

ICS-40740 TDKInvenSenseICS40740超低噪声麦克风

venSense ICS-40740超低噪声麦克风具有超低噪声、高动态范围、差分模拟输出和1个底部端口。TDK InvenSense ICS-40740器件采用MEMS麦克风元件、阻抗转换器、差分输出放大器和增强型射频封装。ICS-40740器件具有70dB SNR和±1dB灵敏度容差,因此非常适合用于麦克风阵列和远场语音控制应用。 特性 70d BA信噪比 -37.5dBV灵敏度 ±1dB灵敏度容差 4mm x 3mm x 1.2mm表面贴装封装 80Hz至20kHz扩展频率响应 165µA电流消耗 132.5dB SPL声学过载点 -87d BV PSR 兼容无锡/铅和无铅焊接工艺 符合RoHS指令/WEEE标准 ...
发表于 10-30 10:06 ? 213次 阅读
ICS-40740 TDKInvenSenseICS40740超低噪声麦克风

IAM-20680 TDKIAM20680 MEMSMotion Tracking器件

venSense IAM-20680 6轴MotionTracking器件在3mm x 3mm x 0.75mm的小尺寸封装中集成了3轴陀螺仪和3轴加速度计。IAM-50680器件具有片上16位ADC、可编程数字滤波器、嵌入式温度传感器和可编程中断。TDK InvenSense IAM-20680 6轴MotionTracking器件非常适合用于360°视角相机稳定、汽车报警器和远程信息处理应用。 特性 数字输出X、Y和Z轴角速率传感器(陀螺仪) 用户可编程满量程范围为±250dps、±500dps、±1000dps和±2000dps,集成16位ADC 数字输出X、Y和Z轴加速度计,具有±2g、±4g、±8g和±16g的可编程满量程范围,集成16位ADC 用户可编程数字滤波器,用于陀螺仪、加速度计和温度传感器 自检功能 唤醒运动中断,用于应用处理器的低功耗运行 按照AEC-Q100执行的可靠性测试 按要求提供PPAP和认证数据 应用 导航系统航位推算辅助功能 ...
发表于 10-29 13:06 ? 206次 阅读
IAM-20680 TDKIAM20680 MEMSMotion Tracking器件

MAXM17720AMB+ Maxim Integrated MAXM17712/20/24 PMIC

Integrated MAXM17712/20/24电源管理专用IC (PMIC) 是喜马拉雅微型系统级IC (µSLIC) 电源模块,可实现散热更好、尺寸更小、更加简单的电源解决方案。这些IC将高效率150 mA同步降压直流-直流转换器和高PSRR、低噪声、50mA线性稳压器集成到µSLIC™电源模块中。该PMIC在4V至60V宽输入电压范围内工作。该降压转换器和线性稳压器可提供高达150mA和50mA输出电流。 直流-直流转换器的输出用作线性稳压器的输入。这些线性稳压器在不同模块中提供1.2V至3.3V固定输出电压。MAXM17712/20/24模块采用薄型设计,采用2.6mmx3mmx1.5mm µSLIC封装。典型应用包括工业传感器、暖通空调和楼宇控制、电池供电设备以及LDO替代品。 特性 易于使用: 4V至60V宽输入降压转换器 可调节及固定的输出电压模块 内部电感器和补偿 降压转换器输出电流高达150mA 线性稳压器输出的精度为±1.3%,FB精度为±2% 全陶瓷电容器、紧凑布局 ...
发表于 10-29 13:06 ? 66次 阅读
MAXM17720AMB+ Maxim Integrated MAXM17712/20/24 PMIC

MAX40027ATC/VY+ Maxim Integrated MAX40027双路高速比较器

MAX40027双路高速比较器具有280ps典型传播延迟。这些比较器具有极低过驱分散(25ps,典型值),因此非常适合用于飞行时间、距离测量应用。该器件的输入共模范围为1.5V至V+ 0.1V,与MAX40658、MAX40660和MAX40661等多个广泛使用的高速跨阻放大器的输出摆幅兼容。输出级为LVDS(低压差分信号),有助于最大限度地降低功耗,直接与诸多FPGA和CPU连接。互补输出有助于抑制每个输出线上的共模噪声。MAX40027采用小型、节省空间的3mm x 2mm、12引脚TDFN封装,带侧面可湿性侧翼,符合AEC-Q100汽车级认证要求。MAX40027的工作温度范围为-40°C至+125°C,可在2.7V至3.6V电源电压下工作。 特性 快速传播延迟:280ps(典型值) 低过驱色散:25ps(VOD=10mV至1V)  电源电压:2.7V至3.6V 2.7V电源时45.9mw(每个比较器) 节能型LVDS输出 温度范围:-40°C至+125°C 符合汽车类AEC-Q100标准 小型3mm x 2mm TDFN封装,带可湿性侧翼 ...
发表于 10-29 13:06 ? 59次 阅读
MAX40027ATC/VY+ Maxim Integrated MAX40027双路高速比较器

LPC55S66JBD64K NXP Semiconductors LPC55S6x Arm? Cortex?-M33微控制器

miconductors LPC55S6x Arm Cortex-M33微控制器 (MCU) 采用Arm双核和Arm TrustZone 技术,适用于工业、楼宇自动化、物联网 (IoT) 边缘计算、诊断设备和消费电子应用。这些器件基于Armv8-M架构,采用低功耗40nm嵌入式闪存工艺,具有先进的安全特性。 LPC55S6x微控制器具有一套独特的安全模块,可为嵌入式系统提供层保护,同时保护最终产品在整个生命周期内免受未知或意外的威胁。这些块包括基于可信根和配置的SRAM PUF、来自加密图像的实时执行&...
发表于 10-29 13:06 ? 86次 阅读
LPC55S66JBD64K NXP Semiconductors LPC55S6x Arm? Cortex?-M33微控制器
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