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作者：安森美 在科技演進浪潮中，能源技術已逐漸成為現代產業發展的核心驅動力。從移動設備到云服務器，從電動車到智慧城市，科技產品日益強調效能、速度與可持續能源的平衡，而這一切的背后都需要更高效、更穩定的電源轉換技術。 隨著各種應用對能源效率與功率密度的要求不斷提高，傳統以硅（Silicon, Si）為基礎的功率元件正面臨物理與性能的極限挑戰。這也促使業界開始尋求更具潛力的新型材料，其中氮化鎵（Gallium Nitride, GaN）無疑是最具代表性的技術之一。本文將介紹GaN技術優勢、安森美iGaN概述、VDD, LDO旁路電容等。 GaN技術優勢 GaN作為一種寬禁帶半導體（Wide Bandgap Semiconductor），其材料特性天然地優于硅，在多個關鍵指標上具備顯著優勢。在相同輸出功率的條件下，GaN可在 MHz 等級的開關頻率下工作，能顯著縮小磁性元件（如變壓器與電感）與濾波電容的體積，實現更高的功率密度與更小的系統尺寸。 GaN 元件具備較小的輸入與輸出電容，同時無反向恢復電流，能有效降低死區時間損耗（Dead Time Loss）與反向恢復損耗（Reverse Recovery Loss），使其在高頻開關下仍維持高效率。雖然 GaN 的單位面積成本高于硅，但其更低的 RDS(on)使整體效率更佳，并能減少散熱器面積與系統散熱需求。 雖然 GaN 本身具備卓越性能，但其驅動與控制的難度較高。單純采用分立式 GaN 所帶來的設計挑戰不容忽視，特別是在高頻驅動、PCB 布線、EMI 控制與可靠性設計方面，難度遠高于傳統硅 MOSFET。為了解決上述問題，整合型 GaN（Integrated GaN，簡稱 iGaN） 技術應運而生。 安森美iGaN概述 本文將介紹安森美（onsemi）所推出的iGaN產品，為讀者在元件選擇與系統設計上提供實際參考。同時，本文針對PCB Layout 實操技巧與參考設計準則，協助設計者實際應用并優化系統效能。文章最后，提供300W高效能游戲適配器的參考設計以及實驗數據。 安森美將 e-mode GaN 與柵極驅動器（Gate Driver）整合于單一封裝中。這樣的整合大幅減少了 PCB 上的布線長度與相關的寄生參數，使得 GaN 開關可以更快速、更穩定地運作。如圖1所示，安森美的產品帶來的優勢包括： • PWM信號幅度合規性: 能夠兼容多種PWM信號幅度，包括3.3V、5V和10V。這使得集成GaN技術在不同的應用場景中具有更高的靈活性和適應性。而分立GaN無法滿足多種PWM信號幅度的需求。 • 6V鉗位驅動保護GaN柵極氧化層: 具有6V鉗位驅動功能，能夠有效保護GaN柵極氧化層，防止其受到過高電壓的損害。分立GaN技術則缺乏這一保護措施，可能會導致GaN柵極氧化層在高電壓環境下受到損害。 • 調節VDRV和驅動強度以驅動GaN速度: 可以根據需求調節驅動強度，以適應不同的應用要求。這使得iGaN技術在不同的應用場景中具有更高的靈活性和適應性。 • 最小化驅動器和GaN之間的線路電感: 能夠最小化驅動器和GaN之間的線路電感，這有助于提高系統的性能和可靠性。分立GaN技術則無法有效減少線路電感，可能會導致系統性能下降。 • 噪音免疫性/CMTI評級（150+ V/ns）: 具有較高的噪音免疫性和CMTI評級（150+ V/ns），這有助于提高系統的穩定性和可靠性。分立GaN技術則無法提供這一功能，可能會導致系統在高噪音環境下出現不穩定的情況。 
圖1 安森美iGaN的優勢 安森美作為業界領先的 iGaN 技術供應商，其 NCP5892x系列涵蓋650V/ 50mohm, 78mohm以及150mohm 范圍，廣泛應用于快充電源、工業電源、服務器電源模組等領域。 圖2以NCP58921為例，呈現功能框圖和引腳說明。該產品將高性能高頻驅動器和 650 V、50 mΩ 氮化鎵 (GaN)整合在一個開關結構中。硅驅動器和 GaN HEMT 功率開關的強大組合，相比分立式 GaN，性能更卓越。 同時，TQFN26 8 x 8 mm封裝降低了電路和封裝寄生效應，同時實現了更緊湊的設計。
圖2 NCP58921的功能框圖和引腳說明 另一方面，使用者會在給定的應用和條件下檢查元件的電壓應力或是系統EMI特性。原因是PCB 布局寄生電容以及電感寄生電容和電源回路雜散電感會影響開關切換的表現。NCP58921 可透過串聯 RON電阻和 VDR 去耦 CVDR 電容來調整開啟壓擺率 (dv/dt)。 建議的 VDR 去耦電容為多層陶瓷電容器 (MLCC) X7R 材質。 CVDR電容為 100 nF，額定電壓高于 25 V，可提供更好的熱/電壓穩定性。務必添加串聯電阻 (RON)，以便設定turn on slew rate并進行應用調試。建議的起始 RON值為 33 Ω。 RON電阻值取決于應用要求和工作頻率，但 100 Ω 應被視為最大值。圖3是調整不同的RON值，表現出不同的dv/dt。
圖3 iGaN透過調整RON產生不同的 dv/dt iGaN雖已大幅降低傳統 GaN 設計在驅動與匹配上的困難，但良好的 PCB layout仍是發揮其高速、高效率特性的關鍵。尤其在高電壓、高頻率、高功率密度應用中，即便微小的布線失誤，也可能引發 EMI、切換尖峰、震蕩甚至元件損壞。 接下來，將以實際設計為導向，逐步說明 iGaN 的 PCB 布線原則，涵蓋關鍵元件擺放、高頻回路設計以及接地處理。 VDD, LDO旁路電容 iGaN 在高速驅動驅動過程，在柵極電容的短暫充電期間需要更高的電流。此電源電流透過內部調節器從 VDD 解偶電容 CVDD 提供，該電容用于解耦 VDD 電源電壓。 CVDD 必須直接連接在 VDD 和 GND 接腳之間。 CVDD 電容應為至少 1 uF 的陶瓷電容，并盡可能靠近電源引腳，以便濾除高頻操作下所有的突波。 LDO OUT 是通用穩壓器的輸出，用于為 5 V 數字隔離器或隔離柵極驅動器供電。此穩壓器需要在 LDO OUT 和 GND 引腳之間連接陶瓷電容，以解耦輸出電壓。建議電容值為 100 nF，其材料應為穩定性良好的 X7R。圖4為典型的半橋電路PCB布局以及元件位置，可看到CVDD位于VDD的引腳附近，LDO OUT的引腳與GND之間也有陶瓷電容。
圖4 半橋架構下Layout布局 減少寄生電感 如果功率回路中的寄生電感太大，搭配iGaN極高的電流變化率 di/dt，容易產生尖峰電壓，甚至導致損壞。同時，這也會產生大量輻射 EMI。如圖5所示，標示了 Vbus、HB、GND 以及旁邊的 bypass 陶瓷電容。我們可以看到，從 Vbus → iGaN →Switch Node →iGaN，再經由 Via 返回 GND，這整條就是高功率電流回路。為了減少寄生電感，在PCB布局時，把 iGaN 與旁路電容（MLCC）放在彼此緊鄰位置，減少回路的長度。同時，使用寬銅面，并在下一層有完整 GND 作為返回路徑，可形成電場與磁場的抵銷。上層與內層中間的板厚越薄越好，有助于形成耦合電感來等效減少整個路徑上的寄生電感。
圖5 半橋架構下的高功率電流路徑 減少Switch Node 寄生電容 iGaN器件具有非常低的輸出電容，并且以高dv/dt快速切換，從而產生非常低的開關損耗。為了保持這種低開關損耗，必須最小化添加到(switch node)開關節點的額外電容。根據電容的公式，C=0.0886⋅εr⋅A/h 這里： εr：是材料的介電常數，FR4 材質約為 4.5 A：是 Switch Node 與其他平面（如 GND 或 Heatsink）的重疊面積 h：是這兩個導體之間的距離（通常為板厚、Dielectric） 簡單來說，最小化開關節點平面與其他電源和地平面的重疊，整體形成的寄生電容 C 也會跟著下降。此外，亦可以通過以下指南來最小化開關節點的寄生電容： 1. 將功率電感器盡可能靠近iGaN器件。 2. 功率電感器必須使用單層繞組構造，以最小化繞組內電容。 3. 如果單層電感器不可行，考慮在主電感器和iGaN器件之間放置一個小電感器，以有效屏蔽GaN器件免受額外電容的影響。 4. 如果使用背面散熱器，使用最少的開關節點銅覆蓋面積在底層銅層上，以改善熱散熱。 |
