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​​纳微半导体GaNSense™新技术助推GaNFast™功率芯片性能飞跃

2021/11/22 14:05:00      材料来源:化合物半导体

 近日,纳微半导体全球首款智能GaNFastTM氮化镓功率芯片暨GaNSenseTM新技术在线媒体发布会成功举办。


纳微半导体销售运营总监李铭钊Edwin介绍了纳微概况,纳微半导体今年10月份在纳斯达克上市,股票代码NVTS,上市当天的估值是10亿美元左右。公司已经授权专利超过200多件,还有超过一百多件在准备申请中。公司70%以上的营收部分,都来自中国大陆。纳微中国团队大约有60多人在中国大陆,拥有超过纳微全球40%的成员。纳微中国区的深圳办公室大约两个月前搬到百度大厦;上海团队是在2019年成立的,有一个办公室,包括研发中心,负责功率芯片设计的部分;还有一个杭州应用团队,主要是服务器的部分,以及其他一些特别的应用。

 

最近这几年氮化镓通过自身优化、产能的提升、成本的控制,慢慢地落地到应用在消费类、工业类里,纳微现在主要是在台积电的2号工厂里生产,主要生产6寸的晶圆。在封装部分,纳微采用全球前三名的封装厂商,品质控制做到零故障。现在纳微出货三千万个氮化镓功率芯片,确定零故障。纳微产出良率能到90%以上,交付的时间是12周左右。

 

氮化镓应用场景在手机充电器这块。氮化镓优势是提升充电器的功率,消费者用很短的时间,把手机电池充满。另外,相关电子设备使用越来越多,可能有A口有C口,多头充电器是非常大的市场,这是让氮化镓发挥非常好的平台。现在纳微主要合作的都是全球知名度比较高的厂商,比如小米、OPPO、联想、DELL等,这些国内消费者比较熟悉的品牌,都是使用纳微氮化镓的材料方案在做它的产品。国外电商品牌也大量选用纳微的方案。现在全球超过140款量產中的充电器都用纳微的方案,大约150款左右还在准备研发阶段,在未来12个月里你会看到最少有另外150多款使用纳微方案的新产品出来。除了充电器之外还有其他领域,平面电视,游戏机,平板,这些都是纳微关注的消费类产品,因为这些产品期望做到更小更轻,大约每一年有20亿美金左右的市场机会。另外一个巨大的市场是数据中心,一年利用氮化镓可以省19亿美元左右的电费,这是非常巨大的。另外一个应用场景就是太阳能,通过提升效率,可以把太阳能的逆变器可以放在家里边非常小的地方,消费者可以用到更便宜的电力。此外国家目前非常关注的电动汽车部分,氮化镓有非常好的特性,可以做到小型化,纳微可以把汽车里边的OBC还有DCDC做到更小更轻,就可以放更多的锂电池在里边,让整个车跑的时间更长、距离更远。

 

纳微氮化镓能够节能,是实现碳排放、碳中和非常重要的手段,每出货一个氮化镓功率芯片一年可以减少4公斤的二氧化碳。

 

随后纳微半导体高级应用总监黄秀成介绍了GaNSenseTM新技术。

 

功率氮化镓主要以两个流派在发展,一个是dMode常开型的,纳微代表的是另一个——eMode常关型。相比于传统的常关型的氮化镓功率器件,纳微又进一步做了一个集成,这包括驱动的集成,包括保护和控制的集成。氮化镓功率芯片集成以后带来什么好处呢?传统的硅器件参数不够优异,它的开关速率、开关频率都受到极大的限制,通常纳微看到基于硅器件的电源系统设置都是在60kHz到100kHz的开关频率范围,导致的结果是什么?因为开关比率比较低,它的储能元件,相对电感电容用的尺寸比较大,电源的功率密度会相对比较低,纳微看到业界通常的功率密度小于0.5W/cc。同时分立式氮化镓因为受限于驱动的线路的复杂性,如果没有把驱动集成到功率器件里,受限于外部器件的布局、布线参数的影响,开关频率没有发挥到氮化镓本来发挥到的高度。所以,对比于普通的硅器件大概只有2到3倍开关频率的提升,可想而知功率密度的提升也是相对比较有限的。

 

纳微看到纳微的友商或者同行,相比于传统的电源适配器,或者电源解决方案,他们可以设计出相对比较高的功率密度,但是也没有远没有达到1W/cc的数字。纳微的功率氮化镓器件,集成了控制、驱动和保护在里面,就可以不依赖于外部集成参数影响,开关频率可以充分地释放,目前纳微主流的开关频率在电源适配器这块是300、400k,在模块电源已经有客户设计到了MHz,所以,经过集成的方案之后,开关频率、开关速度的潜能被释放,所以纳微设计出来的功率密度比传统的硅或者分立式的氮化镓高了好多,目前纳微有好多案子远远大于1W/cc的数字。

 

目前纳微的氮化镓在市面上主流的系列是GaNFastTM系列,GaNFastTM就是把驱动控制和保护做在功率器件上面。纳微目前主要采用的是一种QFN封装,它的大体布局和传统的硅和分立式的区别并不大,它有漏下极、源极、PWM,纳微额外的有三个和控制驱动相关的。因为纳微是一个功率芯片,芯片肯定是需要供电的一个方式,纳微外部有一个Vcc的供电,这个供电范围非常宽,有10V到30V这样的宽范围,和目前整个控制器和外围控制器的配合非常好,可以去适应控制器的Vcc的范围。因为氮化镓芯片设计里面的一些难点,就是产生基准变压,用氮化镓的晶元来产生会相对比较难,所以纳微外部用一个稳压管来产生内部基准电压,把宽范围的Vcc调整成内部真正需要驱动氮化镓功率器件的母线电压,这三个是和芯片运行,和驱动氮化镓相关的。纳微的PWM信号内部做了很多防噪声处理,有很多磁滞的线路在里面。相比于传统的硅,或者分立式的氮化镓,里面有很多保护,包括UVLO在系统上Vcc未达到某一定值之前,整个功率芯片是锁定状态,可以有效的避免功率器件在某些异常条件下工作失效等等。纳微GaNFast产品目前出货量已经实现三千万。

 

 

随着电源行业的发展,刚才提到手机功率、充电功率需求的提高,更多应用场景的出现,纳微氮化镓技术更迭也在持续进步。这张图很形象展示了纳微纳微氮化镓功率芯片进步的路标,相比于传统的硅和Discrete GaN,纳微的GaNFastTM系列相对来说已经发挥出氮化镓速度和潜能,里面集成驱动、基本保护,从传统的几十K到一两百K的方案,提升到MHZ这样的级别。纳微的GaNSenseTM在GaNFastTM基础上又做了主要是性能的提升,包括无损的电流采样,包括待机功耗节省,还包括更多保护功能的集成。

 

   

这张图展示了纳微GaNSenseTM系列几个最突出的性能优点,包括无损可编程的电流采样,这个对系统来说非常的重要,包括智能的待机,里面有很多待机功耗要求,可以解决GaNFastTM以前相对不足的地方,人体的ESD、过温过流保护,完美集成在GaNSense系列里面。

 

基于这几点我稍微详细的做一些阐述。纳微的电流采样是通过无损的方式,它会去采集一些电流信息,然后经过信号处理,在芯片外部可以放置一个可编程的电阻,这个电阻大小可以调比例,然后去原模原样复现流经GaN工艺器件的电流,原来系统里面可能有一个采样电阻,调纳微可编程电阻可以复现出可编程电压。这个功能这个信号处理、采样精准度要求还是很高的,这里我举了一个例子,纳微的6134这个产品,纳微精准度相对还是很高的,纳微规格书里面接近4%到5%的证书偏差,但是纳微上千个测试结果显示,纳微采样的精度误差大概在正负1.36以内,这样的精度可以让纳微在电源系统设计里面比较随意的去实用纳微的电流采样的技术,他可以比较精准的控制住,包括闭环采样控制,包括过流等等保护,可以跟这个控制器片完美结合。

 

无损采样会对电源系统产生怎么样的影响呢?首先,把无损采样代替原来采样电阻功能,意味着在功率回路里面有功率器件和功率采样电阻,有两个产生损耗的元件在里面,现在变成无损采样,完全把采样电阻损耗节省下来,功率回路里面的通态损耗也会减半,意味着能效提升。另外两点,衍生而来的好处,一个是PCB布局的减少,因为原来采样电阻通常会采用3毫米乘以4毫米封装采样电阻的形势,通过内部集成,无损采样,纳微PCB布局面积更小,布局会更灵活、更简单。还有热耦合的问题,原来有两个发热元件在这个系统里面,现在完全把一个拿掉了,现在热的系数更好,耦合系数更低,器件本身工作温度更低,系统的效率也会更高。接下来是过流保护,过流保护是基于采样信号,内部设定一个过流的阈值,传统的,包括纳微GaNFastTM系列,纳微外部还是需要一个采样电阻,采样电阻采到的信号交由控制器判断是否发生过流情况,控制器为了避免噪声问题,有一个Delay的问题,通常它的反应时间在300纳秒左右,就是传统的一个控制器的反应时间。纳微用了GaNSenseTM技术,电流采样技术,在内部做信号处理,纳微设定一个阈值,如果触碰到这个阈值反应时间是远远小于100纳秒,节省出来200纳秒就可以避免系统因为异常情况,比如说像短路、过功率等等,造成变压器的电流急剧上升这样一个恶化的情况。纳微的PWM控制器出来还是比较完整的信号,但是如果当我的电流信号触碰到内部的阈值之后,不管外部的PWM信号是高还是怎样,能够保护系统里面串联的电流不会扩充,超过阈值,直到PMW关断,如果出现这种情况,不管高低直接关掉,纳微的保护还是逐周期的保护,精准控制过流点在阈值的地方。

 

第三个功能,过温保护,过温保护对于功率器件的保护也是非常重要,目前纳微的保护机理也是设置一个区间,当纳微采用GaN晶圆上的温度,当这个温度超过我设定的阈值,通常纳微现在设定的阈值是160度,超过160度之后,我也不管外部的PMW信号,我直接把芯片关掉,这个芯片会自然冷却,冷却到低于100度的时候,我再去参考PMW信号,当有信号时候我继续工作,如果这个异常的情况没有解除,温度还是往上升,碰到160度继续关断,这个不能叫逐周期,但是这个纳微在区间内精准控制节温的范围。第四个功能,智能待机。待机问题非常重要,现在很多能效标准都要求待机做到25毫瓦、30毫瓦以内,虽然现在比较宽松的能效范围是75毫瓦,但是很多OEM工厂,ODM,他们都会要求待机比如做到30毫瓦。所以,纳微早期的系列GaNFastTM客观来说其他性能都非常非常好,就是因为里面集成了芯片的功能,纳微静态电流在700微安或1毫安,尽管电流也是非常小的,因为考虑待机问题,纳微通常外边会做个线路,把待机时候的VCC切断,所以系统会相对复杂一些。现在纳微的GaNSenseTM技术更加完善,纳微会智能检测PWM信号,当PWM信号是工作正常的时候,比如说以某一些频率工作,这个智能待机方式不发挥,当系统进入跳周期的模式之后,通过这样的检测让芯片进入待机模式,整个待机电流从原来的接近1毫安降到接近100微安,所以整个待机功耗就可以下降很多。还有一个指标也非常重要,当进入待机之后,什么时候能够醒过来,这里处理非常迅速,就是当第一次出现脉冲的时候,30纳秒就可以马上进入正常工作模式。

 

这里纳微做了实验测试,NV6125是早期的GaNFastTM,就是目前市场上主流的GaNFastTM系列,下边这个6136是GaNSenseTM,在一个平台上面直接做替换,省掉大概6到7毫瓦的待机功耗,这个跟纳微的刚才说的数字,1毫安到一两百微安节省也是基本吻合的,纳微待机功耗降低接近20%,这也是非常重要的参数。纳微的GaNSenseTM系列已经上线了, GaNSenseTM系列更全,有不同的封装,有6×8,有5×6,整个选择也更多,目前有5种,最小到120毫欧,最大是450毫欧,这个范围很好地覆盖从二十几瓦快充和一两百瓦快充系列。

 

GaNSenseTM主要有三个应用场景,第一个,目前快充最火爆的QR Flyback的应用场景,可以代替掉原边的主管和采样电阻,第二个应用场景就是带PFC功能,在这两个拓扑下纳微的效率提升在90V输出条件下至少可以提升0.5%的能效。第三个应用场景,非对称半桥,随着PD3.1的代入,非对称半桥这个拓扑一定会慢慢地火起来,这个拓扑里面有两个芯片,作为主控管可以用GaNSenseTM,因为也需要采用电流,上管作为同步管可以用GaNFastTM系列代替。截止纳微发布这个产品时候已经有一些客户在使用GaNSenseTM,已经实现了量产.第一个是小米120W的氮化镓,它目前是业界最小的一个120W的解决方案,里面是PFC加上QR的系统框架,已经使用了两颗NV6134 GaNSenseTM系列,相比于传统的之前已经量产的硅的方案,GaNSenseTM解决方案比硅方案提升了1.5%的效率。第二个案例联想YOGA65W双C,也是采用了NB6134的解决方方案。  

 

最后纳微半导体高级研发总监徐迎春介绍了纳微半导体的平台和应用。

 

纳微的芯片在10月份已经出货量超过三千万只以上,这跟这三个方面有关联。

 

第一点,纳微氮化镓提供的高可靠和集成驱动是纳微一个技术,这个驱动对产品的品质非常重要,大家可以看到非常多的友商推出氮化镓产品,但是如何去控制Vgs是氮化镓带来的一个挑战。因为Vgs非常的敏感,它的适用电压范围也比较小。另外Vgs电压过高,还会影响它长期的寿命,所以做集成驱动除了提高量产时候的可靠性,还对整个产品长期的可靠性至关重要。

 

第二点纳微推出的第三代新一代产品,除了提供无损采样,智能的待机,还提供了强大的保护功能,有OCP、OTP、短路保护,所有这些保护的目的是为了什么呢?从系统设计的角度,提升氮化镓芯片对整个系统设计带来高的保障性。纳微所有的器件在出厂的时候做一个900V10毫秒耐压测试,这样可以使得应用纳微的氮化镓,即使在碰到雷击测试等时候,给客户提供一个高可靠性的产品。

 

第三点,因为氮化镓是一个新的器件,当然会带来一个全新的设计,所以,纳微在中国区总经理领导之下,成立了非常强大的AE团队,纳微AE团队是为了做什么呢?目前正在进行的2021年到2022年即将量产的产品超过150个产品,这背后是纳微在深圳、杭州和上海有非常强大的AE团队,从客户的需求的定制,需求的讨论,到原理图的绘制,到整个布版的设计,到结构的装配性,一直到纳微EVT就是电器性能样机测试,到最后分析,就是整个详细设计阶段EMI的调试,一直到小批量的试产,中批量的试产,到大批量的量产,纳微都提供全程的服务。这个背后有从美国回来的黄秀成博士带领的博士团队,有在中国区这边很多10到20年工作经验的工程师。基于这些支持,纳微与上游的磁芯平面变压器、控制器厂家合作,根据客户需求做非常多的联合设计开发。纳微当前正在做的有手机,再扩展到服务器电源领域,太阳能领域,EV的领域。目前服务器电源领域团队的在杭州已经正式成立,已经开始打造的第一款服务器的产品。纳微的EV团队也已经在上海开始招聘。

 

接下来开始介绍整个平台的产品。

 

首先第一个45W双C产品,这样一个产品单口输出时候纳微可以输出45W,给笔记本电脑充电,两个口输出的时候可以给苹果手机,给其他手机充电。目前产品功率密度非常高,超过1.4W/cc的功率密度,体现出氮化镓的应用价值。

 

第二个,纳微把在服务器电源应用的图腾柱的PFC,这样一个很先进的拓扑,也适用氮化镓用的拓扑,把它应用到几百W的,比如200多W到300W这样一个功率等级的应用过程中。图腾柱好处就是极大的降低了整流桥损耗,叫无桥PLC,无桥说的更通用一点,而氮化镓这个器件没有反向恢复的特性,刚好非常切合它使用在一个CCM工作模式下的一个PFC,推出的这样一个300W的平台设计,是由纳微博士在深圳的团队带领的设计,纳微的目标尺寸是60×60,22的PFC加上外壳是32,跟之前用硅做的65W尺寸相当,预计最终优化后提升了3到5倍的功率密度,效率也是非常高。在高压的情况下可以获得99.3%的效率,即使在低压的情况下,也可以达到接近98%的效率,这是PFC应用到这个领域里带来的价值。在高压情况下,整机接近96%的效率,在低压情况下也有94%的效率,非常客观。 纳微为下一代PD协议做准备做的48V5A的产品,是当前100到120W等级功率密度翻番的。对于传统硅,比较常见的LED驱动非常常见,240W,几乎是这个的2倍以上,随着氮化镓的价格下降的趋势,越来越多的客户跟纳微接触。

 

纳微为什么要在服务器的领域成立了一个团队?第一个缘由是,在这个行业,2023年欧盟对高效的数据中心提出一个强制要求,钛金的要求,就是希望系统效率。效率曲线最高效率点提高到96这样一个结构,如果用拓扑传统的器件做非常痛苦,也会增加非常多的成本,用氮化镓去做,从性能上做起来更容易,从成本上也体现出优势。这样一个标准要求,迫使纳微加速氮化镓在服务器电源的应用。第二点,全球数据中心的耗电量,氮化镓可以给整个数据中心带来能效方面的提升,最终促进实现双碳目标。在技术方面,通过氮化镓PFC的应用优势,比较出来CCM PFC可以达到效率接近99%,已经做出来98.9%,230的时候,用GaN来做,整个系统成本,功率密度,电路复杂设计程度,包括开关器件,相对硅来讲都可以做到最优。

 

接下来看一下氮化镓在LLC上的结构,氮化镓器件开关频率可以从100K提升到300K,磁芯元器件体积减少30%,而且可以把结构件成本降低。

 

纳微半导体作为硅基GaN电力电子器件设计龙头企业,高集成度的GaNFastTM功率芯片性能已经在业界中领跑快充应用赛道,现在又推出GaNSenseTM新技术,使得GaNFastTM功率芯片性能进一步提升,必将对现今的中低压应用带来更可观的利好,同时为拓展数据中心及光伏逆变器等工业应用开辟道路。

 

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