FPGA電源設計的GaN採用率上升
作者 : Maurizio Di Paolo Emilio，Power Electronics News & EEWeb主編
GaN的採用率隨著功率密度要求的提高而上升。
現場可編程閘陣列(FPGA)用於各種訊號處理應用，但工程師必須確保高精度以支援硬體的廣泛需求。為現代FGPA設計電源時，外形尺寸和熱性能是需要考慮的兩個因素。
氮化鎵(GaN)是一種寬能隙(WBG)材料，可用於製造諸如二極體和電晶體等半導體元件，但其外形尺寸比矽更小、效率更高。GaN 最大限度地減少了傳統矽固有的損耗，因此不需要矽嚴格的熱管理策略。GaN的採用率隨著功率密度要求的提高而上升。
為了確保高度的可靠性和安全性，熱管理策略應該用於任何產生熱的電子裝置。將裝置溫度保持在安全工作區域(SOA)內對於確保可靠的長期運行至關重要；隨著功率密度提高，這也變得越來越具有挑戰性。
熱管理解決方案旨在最大限度地提高熱效率，並盡可能地減少所用設備的尺寸、重量和成本。隨著許多應用中電子元件內容的增加，與熱形式功耗相關的問題不可避免地成倍增加。典型開關電源的損耗分為兩類：開關和傳導。
熱設計應始終結合整個系統概念、應用以及是否可以使用主動或被動冷卻方法來考慮。首先，分析需要選擇效率高、功耗低的功率離散元件。DC/DC轉換器廣泛用於工業應用的電源電路中，提供高轉換效率並降低功率損耗。
DC/DC解決方案
德州儀器(TI)提供的TPS546D24A降壓轉換器能夠在85℃的環境溫度下提供高達160A的輸出電流，從而增強工業應用的熱性能(圖1)。TPS546D24A最大限度地提高了FPGA電源的功率密度，並使工程師能夠在高性能資料中心和企業運算、醫療應用、無線基礎設施和有線網路應用中將功率損耗降低1.5W。據TI稱，該元件提供1.5MHz的開關頻率和0.9mΩ的低側MOSFET，效率比其他解決方案更高3.5%。
圖1：TPS546D24A的簡化原理圖(圖片來源：TI)。
該元件提供小於1%的輸出電壓誤差和接腳搭接(pin-strap)配置，可更準確地監控電流以進行故障報告。此外，其整合有助於消除板上多達六個外部補償元件。降壓轉換器的PMBus介面提供可選的內部補償網路，允許工程師將大電流FPGA每個應用(ASIC)的整體電源解決方案尺寸減少10%以上。TPS546D24A的運行溫度比最近的解決方案低13℃，從而提高在炎熱和惡劣環境中的運行可靠性。
「PMBus是一種序列介面和開放標準，在許多市場和應用中都很有幫助。」TI產品行銷工程師Rich Nowakowski說：「40-A TPS546D24A透過pin-strap或PMBus命令進行配置，透過PMBus介面將電流報告為簡單的單一位址，即使當多個元件堆疊到160A時也是如此。」
圖2：TPSM53604評估板(圖片來源：TI)。
相較於早期元件，TPSM53604能讓工程師將電源解決方案的尺寸縮小30%，功耗降低50% (圖2)。由於TPSM53604的QFN佔位面積中有42%與電路板接觸，因此該封裝比起競爭的BGA封裝更能實現高效熱傳遞。TPSM53604還能在高環境溫度(高達105℃)下運行，以支援工業自動化、網路基礎設施、測試和測量、工業運輸以及航太和國防環境的嚴苛應用。
Nowakowski說：「TPSM53604是市場上最小的4A、36V輸入電源模組。該元件具有高功率密度、出色的熱性能和低電磁干擾(EMI)雜訊。我們將電感器和其他被動元件整合到3D模組設計中來實現這些優勢，同時解決幾項設計挑戰。」
TPSM53604電源模組在可路由導線架的四風扇型封裝中整合一個非常高效的IC，從而解決了熱設計問題。
氮化鎵技術
除了改善傳導損耗之外，使用GaN還可以提高開關開啟速度，從而顯著降低開關損耗。提高開關頻率還能縮減許多大型元件(如變壓器、電感器和輸出電容器)的尺寸。GaN具有更好的導熱性，並且可以承受比矽更高的溫度。這兩項屬性都有助於減少對熱管理元件(如笨重的散熱器和冷卻裝置)之需求，從而顯著縮減電源的整體尺寸和重量。
TI GaN技術產品線經理Steve Tom說：「頻率越快，磁性越小；電容器越小，密度就越高。GaN的優點在於我們可以更快地切換而不會產生熱損失，這就是功率密度和效率如此之高的原因。」
一個主要問題是元件的可靠性。Tom說：「我們已經完成超過3,000萬個元件小時了。截至今年也處理了3GW功率轉換，以展現元件所具有的強大SOA，以及非常適合電源和逆變器應用。」
GaN解決方案系列整合高速閘極驅動器、EMI控制、過熱和過流保護，回應時間為100ns。整合元件提供最佳化的佈局，以最大限度地減少寄生電感、提高共模瞬態抗擾度(CMTI，以dV/dt為單位)並減少電路板空間。
「TI提供的獨特優勢之一在於GaN供應鏈。」Tom說：「TI擁有GaN製程並經營從[外延]到封裝和測試的整個製造流程。然後我們將GaN FET與最佳化的驅動器相結合，以實現最高速度、最高性能和最高可靠性的系統。」TI擁有量產的150-mΩ、70-mΩ和50-mΩ 600-V GaN FET完整產品組合。這些元件支援工業、電信、伺服器和個人電子應用中的高密度設計。
圖3：GaN應用(圖片來源：TI)。
為了擴展GaN在汽車、並網儲存和太陽能等新應用中的用途(圖3)，TI正展示其對流冷卻、900V、5kW雙向AC/DC平台。該平台可以在沒有冷卻風扇的情況下提供99.2%的峰值效率，具有可擴展的多級解決方案，適用於5kW和自然對流。它包括LMG3410R050 GaN和C2000數位控制器，並支援高達1.4kV的匯流排電壓。
(參考原文：GaN Adoption Rises for FPGA Power Design，by Maurizio Di Paolo Emilio)
本文原刊登於EDN China網站，Bowentan編譯
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