【導讀】GaN FET可以應用在48V電源系統中，但由于缺乏配合GaN FET工作的合適控制器，工程師們常利用DSP數字解決方案來實現其高頻和高效率設計。然而，DSP解決方案因為需要額外的IC而增加了復雜性和難度。本文介紹了一種兼容GaN FET的模擬控制器，它只需很少的器件，就可以讓設計人員像使用硅FET一樣簡單地設計同步降壓變換器，同時提供卓越的性能。
GaN FET可以應用在48V電源系統中，但由于缺乏配合GaN FET工作的合適控制器，工程師們常利用DSP數字解決方案來實現其高頻和高效率設計。然而，DSP解決方案因為需要額外的IC而增加了復雜性和難度。本文介紹了一種兼容GaN FET的模擬控制器，它只需很少的器件，就可以讓設計人員像使用硅FET一樣簡單地設計同步降壓變換器，同時提供卓越的性能。
在電力電子領域，氮化鎵 (GaN) FET擁有比傳統硅FET更加卓越的性能。GaN FET因效率高而產生更少的熱量，系統成本也隨之大大降低。然而，商用電源制造商在應用GaN FET進行大規模生產時仍面臨一些挑戰，以下為客戶反饋的一些信息：
1.“GaN FET設計與硅FET設計完全不同。” （電源制造商）
2.“使用GaN需要數字控制，這讓我們望而卻步；因為設計模擬電路比較容易，成本也低，那才是我們擅長的事情。” （電信公司）
3.“GaN FET 的到來意義重大。能夠縮小散熱器尺寸對我們來說非常重要，但問題是我們還需要一個微控制器來配合它。” (家電廠商)
許多設計工程師已經意識到采用GaN FET會帶來的益處，但卻一直猶豫是否將GaN引入實際設計，其主要原因還是設計的復雜性。隨著GaN FET成本的不斷降低，相對硅FET的高昂成本可以通過系統級設計來抵消。假如客戶真的面臨這些難題，那我們該如何幫助他們？
瑞薩電子通過在48V系統中使用100V GaN FET來解決這個問題。本文將闡述這種方法，并以一種截然不同的方式來解除客戶的疑慮。
自從電話設備被發明以來，電信和無線基礎設施應用一直采用48V直流電源供電。近年來，數據中心和高端汽車系統也開始采用48V電源，因為它仍然被認為是安全的低電壓，其安全要求要低得多，但允許使用具有最小壓降的更細規格電線。現在已經有很多發布的文章都在探討快速興起的48V市場。
5G AAU（有源天線單元）的典型電源樹圖如圖1所示。系統的-48V輸入總線通過DC/DC轉換提供數百瓦或千瓦級的功率，將-48V電壓轉換為+28V、或+48V至+56V，并饋入大型功率放大器陣列。轉換后的正電壓還可以創建12V或5V總線饋送給其他系統負載，例如時序/時鐘、存儲器、ASIC/FPGA等（如果-48V已經與交流電或可再生能源等主電源隔離，則無需再隔離）。顯然，隨著5G市場的快速增長，AAU和BBU（基帶單元，圖中未顯示）都需要多個不同功率級別的48V轉換，這其中蘊含的市場潛力巨大。投入資源開發80V或100V額定電壓的GaN FET來取代傳統硅FET符合GaN制造商的商業利益。
在無線基礎設施應用中采用GaN有很多潛在的益處，包括提高系統效率、最小化設備尺寸、降低電力成本和簡化散熱管理等。尤其對5G AAU，它甚至可以減輕系統重量，考慮到基站安裝越來越分散，而且有些場景安裝還比較困難，這一點尤其重要。
圖1：典型的5G AAU電源樹圖（未顯示交流電源）
電源架構的細節取決于站點類型、覆蓋范圍、位置以及與電網或遠程電源的距離。
宜普公司 (EPC)是業界著名的 GaN FET 公司之一，曾經發布過48V總線電源轉換參考設計（EPC9143），其中就采用了GaN FET方法（見圖 2），其整個設計都是開源的。
該參考設計基于行業標準的1/16磚尺寸轉換器，支持18V至60V輸入，并基于兩相交錯配置提供額定電流為25A的12V輸出。除了EPC GaN FET之外，該設計還使用了一個16 位數字控制器，其工作頻率為500kHz，可提供大于95%的峰值效率（該控制器具有DSP內核和額外的模擬部分，為簡單起見，我們在文中稱其為DSP）。
圖2：帶DSP控制器的EPC9143參考設計（頂部和底部）
毫無疑問，該設計提供了相當不錯的性能，但我們注意到它還使用了六顆其它IC，如圖2的參考設計所示。
通過多種數字電源控制器，用戶可以靈活地重新編程輸出電壓和保護閾值，還可以添加其他需要的功能。然而，對于某些48V應用，一旦設計確定，就無需重新配置；因此其控制調制器如果以模擬方式設計，將與數字方式同樣有效。我們開始考慮是否可以將 EPC9143 中所需的 7顆IC進行組合并替換，僅用一個模擬IC就達到類似的性能。雖然 DSP解決方案幾乎實現了GaN FET設計的最大潛力，其效率遠高于硅FET。但通過更簡單的BOM實現相同的目標，將為客戶提供更高的功率密度和更低的解決方案成本，這與效率同樣重要。
在精簡產品定義、IC設計和全面驗證工作之后，瑞薩電子開發出了一款80V雙同步降壓控制器，專門優化以驅動增強模式GaN FET，即ISL81806（參見圖3）。
圖3：80V雙輸出/兩相GaN FET控制器ISL81806
ISL81806 采用兩相交錯拓撲結構，最多可并聯成六個交錯相位，可以承受千瓦級的負載，而無需外部數字控制來分配相位。
其它特性還包括：
●寬輸入電壓范圍：4.5V至80V，適合電信設備應用
●寬輸出電壓范圍：0.8V至76V
●支持恒壓或恒流輸出
●寬開關頻率范圍：100Khz至2MHz
●輕載或強制PWM模式下的二極管仿真和突發模式
●直通保護、OCP、OVP、OTP、UVP
●每個輸出的獨立使能（EN）和軟啟動
●針對增強型GaN FET進行優化的柵極驅動和死區時間
EPC和瑞薩電子開發了一個新型參考設計板EPC9157（參見圖 4）。與圖2中的 DSP解決方案相同，它采用了兩相交錯拓撲和1/16磚尺寸模塊外形設計。該參考設計板的額定輸入電壓、輸出電流和500kHz頻率也與DSP解決方案相同。（截至本文發布之時，該板的額定輸入電壓為80V）。
圖4：使用ISL81806和四個GaN FET的EPC9157 參考設計板（僅提供模擬控制）
DSP EVB和模擬EVB的效率比較如圖5所示，其效率在峰值功率下非常接近。模擬EVB 具有更好的輕載效率，部分原因是單個模擬控制器消耗的工作電流 (50μA) 比DSP解決方案所需的七個組合IC要少，而且它可以直接使用12V輸出作為IC電源的外部偏置。
圖5：效率比較（左：使用DSP的EPC9143；右：使用ISL81806的EPC9157）
圖6顯示了數字和模擬解決方案之間的主要BOM差異（其中省略了無源組件）。很明顯，模擬解決方案電路BOM非常簡單，它只需一個IC，不需要任何編程。
圖6: BOM比較
盡管ISL81806已經提供了卓越的效率、解決方案尺寸和BOM成本，但未來仍有很多改進的空間。正如GaN FET技術在過去幾年中迅猛發展一樣，瑞薩電子正致力于定義和設計匹配的控制器，其設計團隊也面臨著新的挑戰和機遇。
●未來的發展方向可能包括（但不限于）：
提高擊穿電壓
100V擊穿電壓可能更適合遠程AAU以及板裝磚式電源模塊，尤其適用于具有長電纜的電信設備，可以使其更加堅固。
●更強大的分離式柵極驅動
實現更高的效率需要更強大的柵極驅動器，但這會導致更快的dV/dt，有可能損壞IC，因為任何非理想布局帶來的大量雜散電感會產生負電壓。要解決這個問題，可能需要單獨導通/關斷以優化開關速度，如參考文獻中的RAA226110等分立式GaN驅動器IC。
●更小封裝以優化布局
GaN供應商通常建議采用小尺寸封裝，如CSP或BGA，這類封裝沒有擴展引腳，可以進一步降低系統雜散電感。但要注意，某些可能部署在嚴苛環境中的應用不能采用CSP或BGA封裝。
●IC工藝改進
IC開關節點需要非常穩健，以處理開關期間的高dV/dt（大于200V/ns）和負電壓。其內部自舉二極管也需要盡可能趨近零Qrr（反向恢復電荷）以實現更高頻率。這些需求給IDM 或晶圓代工廠提出了挑戰，要求其不斷改進IC制造工藝。
●對死區時間優化的進一步研究
出于安全目的，高側開關關斷和低側開關導通之間有較短的死區時間。在此期間，GaN FET的“體二極管”會傳導負載電流。GaN FET獨特的“體二極管”模式具有零反向恢復電荷（Qrr），但正向壓降非常大。因此，在死區期間，不僅傳導損耗會增加，而且自舉電容器也可能會過度充電，直至損壞頂部的器件。為了實現非常小但仍然安全的死區時間，我們還必須考慮IC和其他BOM參數因溫度和批量生產的差異而發生的變化。像 ISL81806 這樣的 E-MODE 控制器使用針對GaN FET優化的固定最小死區時間，并且 EPC9157 EVB 專門設計了外部低成本保護電路，以避免自舉電容器過度充電。不過，這又可能會限制實際的工作頻率。部分DC/DC IC供應商會添加死區時間編程引腳或提供死區時間數字化編程。無論采用哪種方式，死區時間選擇的艱巨任務都落在電路設計人員肩上。未來，我們需要更智能的IC功能特性。
●增加靈活性以適應各種GaN技術
與普通硅FET不同，各種GaN FET（包括增強型GaN FET）可能具有完全不同的設計。例如，建議的柵極電壓可能因制造商不同而差異很大，這會帶來麻煩，因為柵極電壓需要通過不同的OVP級別來保護。除了未來產品中的其他可能變量之外，柵極驅動電壓也需要可編程。
GaN FET未來可期，終有一日，它會以更合理的成本和更出色的性能，直接替代硅FET。而像ISL81806這類控制器正在通過進一步的產品開發助力實現這一目標。如果控制器設計得當，使用GaN FET會像使用硅FET一樣輕松自如。
（來源：面包板社區 ，作者：Zhihong Yu）
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