Power Integrations(PI)于2019年7月27日发布了结合PowiGaN威廉希尔官方网站 的全新InnoSwitch™3系列恒压/恒流离线反激式开关电源IC,利用GaN(氮化镓)威廉希尔官方网站 ,让InnoSwitch的产品在整个负载范围内提供95%的高效率转换,并且在密闭适配器内不使用散热片的情况下可提供100 W的功率输出。
这款产品的发布日期专门选在了PI二季度财报当天,足见该威廉希尔官方网站 对PI未来的重要性。PI总裁兼首席执行官Balu Balakrishnan表示:“在实现高效率和小尺寸方面,氮化镓是一项明显优于硅威廉希尔官方网站 的关键威廉希尔官方网站 。我们预计众多电源应用会从硅晶体管快速转换为氮化镓。自从我们在18个月之前推出硅威廉希尔官方网站 新器件以来,InnoSwitch3已成为离线开关电源IC市场当之无愧的威廉希尔官方网站 先行者,随着我们的反激式产品在效率和功率能力的提高,新的氮化镓IC进一步巩固了我们的优势地位。”
实测结果显示,带有PowiGaN威廉希尔官方网站 的InnoSwitch3系列可以实现超过100W的输出功率,同时Rdson损耗达到了最低,效率也是前所未有的高。
为什么要使用氮化镓
Balu Balakrishnan表示,移动设备正在进入快速充电器的新阶段,受到多种融合趋势的催化。
首先是新的USB PD充电标准,它与新的Type-C连接器配合使用,可以为任何移动设备提供高达100瓦的功率。
其次,OEM的产品为了延长电池使用时间而做得容量越来越大,预计5G手机时代更加明显,这会消耗更多功率,但也会鼓励更多地使用耗电量大的功能,例如流媒体视频。
第三,随着手机市场陷入低增长或负增长,许多OEM已将充电速度视为差异化竞争力,快充成为了整个行业的趋势,将在未来几年内继续发挥作用。
“我们相信我们拥有业界最好的威廉希尔官方网站 来应对快速充电趋势,我们认为随着功率水平的不断提高,公司的威廉希尔官方网站 优势将会增加。效率在快充中至关重要,因为适配器的外形太小,同时缺乏主动散热功能,容易造成散热不好,而集成也很关键,因为高功率充电器通常具有更高的复杂度和更多的元件数。而PI的 InnoSwitch产品无论效率还是集成度,都是市场的领导者。 ”Balu说道。
Balu强调,“我相信我们是目前唯一一家大批量生产高压GaN基产品的公司,事实上,目前一些零配件市场已经采用了我们的GaN产品。”
Balu表示,PI在时机上处于有利位置,同时在威廉希尔官方网站 方面也是如此,PI所专长的高可靠,无需光电耦合器的威廉希尔官方网站 可以为客户提供诸多便利。“事实上,我们迄今为止所做的大部分工作是由客户推动的,他们来找我们要求为他们提供产品。”Balu说道。
Balu认为,GaN的关键点不在适配器,而是功率转换的本身,一般来说,30至40瓦应用的任何产品都有机会用到GaN威廉希尔官方网站 ,更高功率的产品更是只有GaN可以满足。
PI GaN系列产品初出茅庐便崭露头角
根据拆解显示,包括Anker、Aukey、Ravpower等多家公司均已采用了PI的PowiGaN方案,而无一例外,所有配件厂都将GaN威廉希尔官方网站 作为产品的主要卖点之一。正如Anker CEO阳萌在纽约发布会中所说:“传统充电器使用Si(硅)作为半导体材料,不仅体积占比高而且效率低下,在充电时由于散热问题会浪费了20%的潜在能量。安克创新在过去的12个月一直在研究GaN威廉希尔官方网站 ,就是为了让充电器降低能量损耗,同时充分减小其尺寸。”
比如曾经拆解的ANKER著名的PowerPort Atom PD 1氮化镓充电器,就是采用了PI的SC1933C,内置氮化镓威廉希尔官方网站 ,不过当初PI还没有对外公布PowiGaN这项威廉希尔官方网站 ,因此也误称为PI InnoGaN 系列,但无论如何这都是PI面向商用的首款GaN产品,并且近半年来也得到了市场的充分验证。
在SC1933C中并没有明确指出GaN产品。
但是在InnoSwitch3的Datasheet中已明确指出包括INN3379C及INN3370C采用了750V GaN 开关。
PowiGaN威廉希尔官方网站 的优势
氮化镓凭借其禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质,确立了其在制备宽波谱、高功率、高效率的微电子、电力电子、光电子等器件方面的领先地位。
PI资深威廉希尔官方网站 培训经理阎金光(JASON YAN)指出,具体在PI所专注的充电领域,氮化镓具有包括Rdson更小以及开关损耗降低。Rdson的降低,意味着导通电阻更小,也就是带来更小的导通损耗。而对于开关损耗来说,主要是从电压从高压到0时电流从0到最大,这其中的交叠区域会产生功耗,GaN由于可以具有更高的转换频率,因此开关损耗也更低。
如上图所示,对于导通损耗与开关损耗来说,GaN都比Si MOSFET要小,也因此实现了更小的尺寸和更低的功耗损失。
阎金光表示,正是因为GaN的效率足够高,因此可以节省散热片设计,从而实现小尺寸高效率的紧凑型适配器设计,通过更好地控制内部温升,以及GaN相对Si更强的抗高温特性,因此十分适合对体积、效率和寿命都有要求的场合。
具体来说,包括非原装USB PD适配器、高端手机充电器、笔记本适配器及其他队尺寸或效率有要求的诸如家电、电视机、服务器待机电源、电脑、游戏机等,此外还有一些希望采用InnoSwitch系列产品,但是又需要更高功率输出的场合都是PowiGaN产品应用的市场。
为什么GaN刚刚开始腾飞?
阎金光表示,十几年前业界就开始进行第三代宽禁带半导体的产业化研究工作,但无论是GaN还是SiC的良率都非常低,因此成本很高。同时GaN的应用还非常难,因为是高速器件,PCB Layout非常敏感,EMI设计很难,而PI通过集成化方式,将所有设计挑战都放到了芯片内部,增加了产品的可靠性,降低了设计难度,使得GaN威廉希尔官方网站 的大批量市场化应用成为可能。
“从电源设计流程到器件的开关频率、工作波形、外部元件的选用以及EMI/ESD考量等,PowiGaN威廉希尔官方网站 的InnoSwitch3和以前没有任何区别,更加易于被设计工程师所接受。”阎金光说道。
阎金光补充道,针对GaN的电源应用,我们并不崇尚更高开关频率的应用。虽说频率越高的话变压器体积可以做得越少,但是频率高意味着电磁干扰越强,为了满足EMI规格需要增加额外的滤波器等电路,反而会增加整个方案的体积,因此在InnoSwitch3中GaN的工作频率和过去的基于MOSFET的产品一样,这也是权衡的结果。
Balu也在投资者峰会时说过类似的话,PI的GaN威廉希尔官方网站 与目前普遍讨论的GaN威廉希尔官方网站 不同,PI是完全在内部开发的,并且是专门针对电源转换设计的应用。其次,GaN尚未商业化的原因主要是因为GaN在分立电路中非常难以驾驭,频率太快,很难对其控制或者保护,PI的解决方式是集成在系统级芯片中,解决了客户使用难题。“事实上,如果你把带有GaN的Inno 3放在其中,除了性能更好,它看起来就和其他Inno 3一样。“PI内部研究了所有的安全功能并以适当的方式驱动GaN,并且我们有着多年的研发经验,达到了批量出货阶段,并且得到了客户的积极反馈。”
阎金光特别强调,PI的PowiGaN威廉希尔官方网站 采用的是单芯片方案,并且所有的工艺都是由PI自己开发的,完全专有的威廉希尔官方网站 ,不会被其他厂商所利用,同时在供应链方面PI也选择的是长期稳定的代工合作伙伴,保证产品的稳定性和可靠性。
PowiGaN应用到InnoSwitch3的各系列中
目前InnoSwitch3的全系产品 (CP/EP/Pro)都已成功导入GaN威廉希尔官方网站 ,并实现量产。
如图所示,其中CP是恒功率应用场合,EP适合敞开式应用,而PRO则带有数字接口,支持USB PD+PPS模式,可以使得适配器的输出更加精准,无需手机内部额外的DC-DC转换器,实现适配器输出的智能化数字化控制。
为了加速PowiGaN威廉希尔官方网站 和InnoSwitch3系列产品的上市周期,PI开发了诸多参考设计,主要就是为了USB PD所开发。
“2018年我们的GaN产品就已经投入市场,目前来看安全性得到了充分验证,没有一颗料失效返厂,我们相信GaN代表着未来,尤其是等一线OEM们认识到GaN的安全性,高效性之后,一定会有更大的增长空间。”阎金光说道。
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