48V电源系统中的GaN FET应用

对于 48V 电源系统中的 GaN FET 应用，现有的一种方法是使用基于 DSP 的数字解决方案来实现高频和高效率设计。这在很大程度上是由于缺乏设计用于GaN FET的合适控制器的可用性。DSP 解决方案需要额外的 IC，这会增加额外的复杂性和挑战。在本文中，作者介绍了一种兼容 GaN FET 的模拟控制器，该控制器的物料清单数量少，使设计人员能够像使用硅 FET 一样简单地设计同步降压转换器，并提供卓越的性能。

众所周知，与传统的硅 FET 相比，氮化镓 (GaN) FET 已显示出卓越的电路内性能。由于 GaN FET 的高效率，产生的热量更少，系统成本也可以大大降低。然而，构建商用电源的公司在使用 GaN FET 进行大规模生产时面临着几个挑战。以下是我们从客户那里听到的一些示例：

“基于 GaN FET 的设计与我们使用硅 FET 所做的完全不同。” （电源制造商）

“使用 GaN 需要数字控制，我们对此犹豫不决；设计模拟电路更容易，成本更低，这是我们知道如何做的事情。” （电信公司）

“GaN FET 即将到来，它们将具有重要意义。如果我们可以开始缩小散热器的尺寸，那将是一件大事，但问题是我们需要一个微控制器来配合它。” (家电厂商)

许多设计工程师已经看到了使用 GaN FET 的好处。然而，他们一直犹豫是否将 GaN 引入实际设计，主要是因为设计复杂。随着 GaN FET 成本的降低，相对于硅 FET 的更高成本可以通过系统级节省来抵消。如果我们假设客户永远是对的，那么我们将如何帮助他们？

在瑞萨，我们正在 48V 系统中使用 100V GaN FET 来解决这个问题。本文将探讨这种方法以及如何以与以前的方法完全不同的方式解决客户问题。

自从开发了电话设备以来，电信和无线基础设施应用通常使用 48V 直流电源运行。近年来，数据中心和高端汽车系统也开始采用 48V，因为它仍然被认为是安全的低电压，安全要求要低得多，但允许使用具有最小电压降的更细规格的电线。已发表多篇文章来讨论快速新兴的 48V 市场 1。

图 1 显示了 5G AAU（有源天线单元）的典型电源树图。 从系统的 -48V 输入总线，DC/DC 转换为数百瓦或千瓦级，将 -48V 转换为 +28V，或+48V~+56V，馈入大功率放大器阵列。转换后的正电压还可以创建 12V 或 5V 总线来馈送其他系统负载，例如时序/时钟、存储器、ASIC/FPGA 等。（如果 -48V 已经与主电源隔离，例如交流电或可再生能源）。显然，随着5G市场的快速兴起，AAU和BBU（Base Band Unit，未显示）在不同功率等级的多次48V转换，具有巨大的市场潜力。投资 80V 或 100V 额定 GaN FET 来取代传统的硅 FET 符合 GaN 制造商的最大利益。

在无线基础设施应用中采用 GaN 的一些潜在好处包括提高系统效率、最小化解决方案尺寸、降低电力成本和简化热管理。特别是对于 5G AAU，它甚至可以减轻系统重量，考虑到更分散且有时具有挑战性的安装，这可能很重要。

图 1：典型的 5G AAU 电源树图（未显示交流电源）

详细的电源架构取决于站点类型、覆盖范围、位置以及与电网或远程电源的距离。

之前发布的使用 GaN FET 方法的 48V 总线电源转换参考设计来自最著名的 GaN FET 公司之一，Efficient Power Conversion (EPC)，EPC9143（见图 2）。整个设计是开源的2。

此参考设计基于行业标准的 1/16 砖转换器占位面积，可从 18V 输入转换为 60V，并基于两相交错配置转换为额定电流为 25A 的 12V 输出。除了 EPC GaN FET 之外，该设计还使用了一个 16 位数字控制器，运行频率为 500kHz，并提供 >95% 的峰值效率（该控制器具有一个 DSP 内核和额外的模拟部分，为简单起见，我们将其称为 DSP文章）。

图 2：带有 DSP 控制器的 EPC9143 参考设计，顶部和底部

虽然此设计无疑提供了非常令人印象深刻的性能，但我们的团队注意到它还使用了其他六个集成电路 (IC)，如图 2 参考设计所示。

使用许多数字电源控制器，用户可以灵活地重新编程输出电压和保护阈值，并且可以添加其他所需的功能。然而，对于某些 48V 应用，一旦设计确定，就不需要对这些配置重新编程，因此控制调制器可以以模拟方式设计，与数字方式一样有效。在瑞萨，我们开始考虑是否可以将 EPC9143 中所需的 7 个 IC 组合和替换，仅用一个模拟 IC，并且仍然达到类似的性能。虽然 DSP 解决方案几乎实现了 GaN FET 设计的最大潜力，其效率远高于硅 FET，但通过更简单的 BOM 实现相同的目标将为客户提供更高的功率密度和更低的解决方案成本，这与效率一样重要。

在简化产品定义、IC 设计和全面验证工作之后，瑞萨电子开发了一款 80V 双路同步降压控制器，专门优化用于驱动 E 模式 GaN FET，即 ISL81806（图 3）。

图 3：ISL81806 80V 双输出/两相 GaN FET 控制器

ISL81806 采用两相交错拓扑结构，最多可并联成六个交错相以承担千瓦级负载，而无需外部数字控制来分配相位。

其他功能包括：

宽输入电压范围：4.5V 至 80V – 允许电信应用

宽 Vout 范围：0.8V 至 76V

支持恒压或恒流输出

宽开关频率：100Khz 至 2MHz

轻载或强制 PWM 模式下的二极管仿真和突发模式

直通保护、OCP、OVP、OTP、UVP

每个输出的独立 EN 和软启动

针对增强型 GaN FET 优化的栅极驱​​动和死区时间

EPC 和瑞萨电子开发了一种名为 EPC9157 的新参考设计板4（图 4）。它采用与图 2 中的 DSP 解决方案相同的两相交错拓扑和 1/16 砖模块外形尺寸设计。该板的额定输入电压、输出电流和 500kHz 频率也与 DSP 解决方案相同。（在本文发布时，该板的额定输入电压为 80V）。

图 4：使用 ISL81806 和四个 GaN FET 的 EPC9157 EVB，仅模拟控制

基于 DSP 的 EVB 和基于模拟的 EVB 的效率如图 5 所示，并且在峰值功率下非常接近。基于模拟的 EVB 具有更好的轻负载效率，部分原因是单个模拟控制器消耗的工作电流 (50μA) 比 DSP 解决方案所需的七个组合 IC 少，并且可以直接使用 12V 输出作为 IC 电源的外部偏置。

图 5：效率比较（左：EPC9143 使用 DSP，右：EPC9157 使用 ISL81806）

下面的图 6 显示了数字和模拟解决方案之间的主要 BOM 差异（省略了无源组件）。很明显，模拟解决方案电路BOM非常简单，只需要一个IC，不需要任何编程。

图 6：BOM 差异

虽然 ISL81806 已经提供了一流的效率、解决方案尺寸和物料清单尺寸，但在未来的修订中仍有改进的空间。正如 GaN FET 技术在过去几年中迅速发展一样，瑞萨电子致力于定义和设计匹配控制器的团队也面临着新的挑战和机遇。

未来发展可能带我们进入的一些方向包括（但不限于）：

提高击穿电压

100V 可能更适合远程 AAU 以及板装砖式电源模块，特别是对于长电缆的电信，以便更加稳健。

更强大的分离式栅极驱动

为了更高的效率，可能需要更强的栅极驱动器。然而，这也带来了非常快的 dV/dt，这有可能损坏 IC，因为任何非理想布局的大杂散电感会产生负电压。可能需要单独开启/关闭以优化开关速度，如参考文献 5 中的 RAA226110 等分立 GaN 驱动器 IC。

用于优化布局的小封装

GaN 供应商推荐使用 CSP 或 BGA 等没有扩展引脚的小型封装，以进一步降低系统杂散电感。但是，某些具有潜在恶劣环境部署的应用程序不能接受 CSP 或 BGA 封装。

IC工艺改进

IC 开关节点需要非常稳健，以处理开关期间的高 dV/dt > 200V/ns 和负电压。内部自举二极管可能更喜欢接近零 Qrr 以启用高频。此类要求可能会挑战 IDM 或代工厂改进其 IC 制造工艺。

对死区时间优化的更多研究

出于安全目的，需要在高侧开关关闭和低侧开关打开之间有一点死区时间。在死区时间内，GaN FET 的“体二极管”功能传导负载电流。GaN FET 具有独特的“体二极管”模式，Qrr 为零，但正向压降非常大6。因此，在死区期间，不仅传导损耗会增加，而且自举电容器可能会过度充电到损坏顶部器件的程度。为了优化非常小但仍然安全的死区时间，我们还必须考虑 IC 和其他 BOM 参数因温度和批量生产分布而发生的变化。像 ISL81806 这样的 E-MODE 控制器使用针对 GaN FET 优化的固定最小死区时间，并且 EPC9157 EVB 设计有外部低成本保护电路，以避免自举电容器过度充电。然而，这可能限制了实际工作频率。一些 DC/DC IC 供应商添加死区时间编程引脚或使死区时间数字化。无论哪种方式，这都将死区时间选择的艰巨任务留给了电路设计人员，未来可能需要更智能的 IC 功能。（进一步阅读可以在参考文献 7 和 8 中找到。）

增加灵活性以适应各种 GaN 技术

与普通硅 FET 不同，各种 GaN FET，甚至都是基于增强模式的，可能具有完全不同的设计。例如，推荐的栅极电压可能因制造商而异 6 并且会成为问题，因为它们需要在不同的 OVP 级别进行保护。除了未来产品中的其他可能变量之外，栅极驱动电压可能需要可编程。

GaN FET 拥有光明的未来，有朝一日，它们可能成为硅 FET 的“直接替代品”，具有合理的成本和更好的性能，而 ISL81806 等控制器正在通过进一步的产品开发帮助实现这一目标. 如果设计了适当的控制器来控制 GaN FET，现在使用 GaN FET 就像使用硅 FET 一样容易。

审核编辑：汤梓红