GaN功率IC为笔电打造最小USB-PD电源转换器

尽管笔记型电脑的设计日趋轻薄简约，但对于使用者而言，最大的困扰是必须随身携带的庞大电源转换器却仍然像“砖头”一样重。如今，在氮化镓(GaN)技术的进展下，很快地就能在市面上看到重量与尺寸大幅缩小、充电速度更快的电源转换器了...

尽管笔记型电脑的设计日趋轻薄简约，但对于使用者而言，最大的困扰是必须随身携带的庞大电源转换器却仍然像“砖头”一样重。如今，在氮化镓(GaN)技术的进展下，很快地就能在市面上看到重量与尺寸大幅缩小、充电速度更快的电源转换器了。

纳微半导体(Navitas Semiconductor)近日推出号称全球最小的65W USB-PD电源转换器参考设计，可用于打造体积与重量均较矽基半导体设计大幅缩小5倍的电源转换器，以因应过去十年来笔记型电脑在更小尺寸和更轻量方面的显著进展。

采用Navitas专利GaN功率IC设计的65W参考设计NVE028A是以主动钳位顺向(ACF)拓扑结构为基础，开关速度比典型的转换器设计更快3-4倍、损耗降低40%，从而实现更小的尺寸和更低的成本。

这一技术基础来自于该公司首创的AllGaN技术架构，整合了GaN功率FET以及GaN闸极驱动器——iDrive，据称可实现高达40MHz的开关速度、更高5倍的密度以及更低20%的系统成本。

Navitas共同创办人兼执行长Gene Sheridan介绍，AllGaN是指从功率FET、驱动器到逻辑元件都采用GaN，这为开关式电源供应器(SMPS)带来了快速、节能以及大幅缩减尺寸、重量与成本等优势，成功克服了传统矽基半导体在快速开关时造成损耗而使能源效率降低的问题。

几乎所有的电源供应器都采用开关电源；开关速度越快，就能实现更小的尺寸、重量与更低成本。Gene Sheridan说：“传统上采用矽基半导体的问题在于快速开关时造成损耗，因而降低能源效率。因此，矽的开关速度(频率)多年来持续在100KHz。几年前兴起的GaN虽然为业界带来小尺寸、低成本与快速充电的希望，但其离散式GaN FET的成本太高，也很难快速驱动，大约仅能达到500KHz左右。”

此外，高效率的GaN功率FET虽然比矽更快20倍，也比叠接GaN更快5倍，但还需要同样快速的驱动电路加持，然而目前供应商几乎都供应矽基驱动器，无法有效发挥GaN的快速优势，甚至在电路板造成延迟。

Navitas目前利用AllGaN技术打造出两款晶片，包括整合1组GaN FET (110-560mΩ)+驱动器+逻辑元件的650V单晶片GaN功率IC——NV6115，以及整合2组GaN FET (110-560mΩ)+驱动器以及1颗GaN逻辑元件的半桥GaN功率IC——NV6250，分别针对需要1种开关模式的功因校正(PFC)以及2组开关模式的电视与笔电电源供应等应用。

Navitas销售暨行销副总裁Stephen Oliver介绍，相较于其他GaN技术的FET闸极较脆弱或易于过充，Navitas的FET闸极与驱动器输出同样稳定耐用，因而能打造出高品质的系统，不至于受到外来因素干扰而导致闸极破损。此外，在驱动器和FET之间不存在任何元件，因而也不会有能量损耗或减速的问题，可顺利达到5MHz的速度。

Stephen Oliver指出，当今的电源设计必须符合能效标准(欧盟CoC Tier 2、美国DoE VI等)，还要考虑市场对于轻薄短小、Type-C连接与快充，以及成本等要求，为设计者带来了诸多挑战。为此，Navitas采用其量产的GaN功率IC，打造出目前最小的65W USB-PD电源转换器，不仅可在满载时达到超过94%的峰值效率，尺寸更小5倍，其低成本材料与简单的制程，也使其较现有市场最小的矽基产品成本更低50%。

基于GaN功率IC的65W USB-PD笔电电源转换器参考设计，尺寸较现有矽基产品更小5倍

这项技术还可用于iPad、监视器以及电视与笔电以及游戏机等电源应用。针对这个每年出货量超过10亿单位的行动与充电器市场，Gene Sheridan表示，“其中有90%都来自台湾，因此我们看好这一市场潜力。但这还只是个开始，因为所有的电源产品都可以使用我们的技术。”未来，Navitas将逐步扩展至LED、PV逆变器、资料中心以及电动车等拥有300亿美元的庞大电源市场。

Navitas目前正与客户合作，预计在年底前就能看到采用此参考设计推出的小型电源供应器产品上市。