如何在48V系统中轻松应用GaN FET？

GaN FET可以应用在48V电源系统中，但由于缺乏配合GaN FET工作的合适控制器，工程师们常利用DSP数字解决方案来实现其高频和高效率设计。然而，DSP解决方案因为需要额外的IC而增加了复杂性和难度。本文介绍了一种兼容GaN FET的模拟控制器，它只需很少的器件，就可以让设计人员像使用硅FET一样简单地设计同步降压变换器，同时提供卓越的性能。

在电力电子领域，氮化镓 (GaN) FET拥有比传统硅FET更加卓越的性能。GaN FET因效率高而产生更少的热量，系统成本也随之大大降低。然而，商用电源制造商在应用GaN FET进行大规模生产时仍面临一些挑战，以下为客户反馈的一些信息：

1. “GaN FET设计与硅FET设计完全不同。” （电源制造商）
2. “使用GaN需要数字控制，这让我们望而却步；因为设计模拟电路比较容易，成本也低，那才是我们擅长的事情。” （电信公司）
3. “GaN FET 的到来意义重大。能够缩小散热器尺寸对我们来说非常重要，但问题是我们还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意识到采用GaN FET会带来的益处，但却一直犹豫是否将GaN引入实际设计，其主要原因还是设计的复杂性。随着GaN FET成本的不断降低，相对硅FET的高昂成本可以通过系统级设计来抵消。假如客户真的面临这些难题，那我们该如何帮助他们？

瑞萨电子通过在48V系统中使用100V GaN FET来解决这个问题。本文将阐述这种方法，并以一种截然不同的方式来解除客户的疑虑。

自从电话设备被发明以来，电信和无线基础设施应用一直采用48V直流电源供电。近年来，数据中心和高端汽车系统也开始采用48V电源，因为它仍然被认为是安全的低电压，其安全要求要低得多，但允许使用具有最小压降的更细规格电线。现在已经有很多发布的文章都在探讨快速兴起的48V市场。

5G AAU（有源天线单元）的典型电源树图如图1所示。系统的-48V输入总线通过DC/DC转换提供数百瓦或千瓦级的功率，将-48V电压转换为+28V、或+48V至+56V，并馈入大型功率放大器阵列。转换后的正电压还可以创建12V或5V总线馈送给其他系统负载，例如时序/时钟、存储器、ASIC/FPGA等（如果-48V已经与交流电或可再生能源等主电源隔离，则无需再隔离）。显然，随着5G市场的快速增长，AAU和BBU（基带单元，图中未显示）都需要多个不同功率级别的48V转换，这其中蕴含的市场潜力巨大。投入资源开发80V或100V额定电压的GaN FET来取代传统硅FET符合GaN制造商的商业利益。

在无线基础设施应用中采用GaN有很多潜在的益处，包括提高系统效率、最小化设备尺寸、降低电力成本和简化散热管理等。尤其对5G AAU，它甚至可以减轻系统重量，考虑到基站安装越来越分散，而且有些场景安装还比较困难，这一点尤其重要。

图1：典型的5G AAU电源树图（未显示交流电源）

电源架构的细节取决于站点类型、覆盖范围、位置以及与电网或远程电源的距离。

宜普公司 (EPC)是业界著名的 GaN FET 公司之一，曾经发布过48V总线电源转换参考设计（EPC9143），其中就采用了GaN FET方法（见图 2），其整个设计都是开源的。

该参考设计基于行业标准的1/16砖尺寸转换器，支持18V至60V输入，并基于两相交错配置提供额定电流为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，其工作频率为500kHz，可提供大于95%的峰值效率（该控制器具有DSP内核和额外的模拟部分，为简单起见，我们在文中称其为DSP）。

图2：带DSP控制器的EPC9143参考设计（顶部和底部）

毫无疑问，该设计提供了相当不错的性能，但我们注意到它还使用了六颗其它IC，如图2的参考设计所示。

通过多种数字电源控制器，用户可以灵活地重新编程输出电压和保护阈值，还可以添加其他需要的功能。然而，对于某些48V应用，一旦设计确定，就无需重新配置；因此其控制调制器如果以模拟方式设计，将与数字方式同样有效。我们开始考虑是否可以将 EPC9143 中所需的 7颗IC进行组合并替换，仅用一个模拟IC就达到类似的性能。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，这与效率同样重要。

在精简产品定义、IC设计和全面验证工作之后，瑞萨电子开发出了一款80V双同步降压控制器，专门优化以驱动增强模式GaN FET，即ISL81806（参见图3）。

图3：80V双输出/两相GaN FET控制器ISL81806

ISL81806 采用两相交错拓扑结构，最多可并联成六个交错相位，可以承受千瓦级的负载，而无需外部数字控制来分配相位。

其它特性还包括：

• 宽输入电压范围：4.5V至80V，适合电信设备应用
• 宽输出电压范围：0.8V至76V
• 支持恒压或恒流输出
• 宽开关频率范围：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
• 每个输出的独立使能（EN）和软启动
• 针对增强型GaN FET进行优化的栅极驱动和死区时间

EPC和瑞萨电子开发了一个新型参考设计板EPC9157（参见图 4）。与图2中的 DSP解决方案相同，它采用了两相交错拓扑和1/16砖尺寸模块外形设计。该参考设计板的额定输入电压、输出电流和500kHz频率也与DSP解决方案相同。（截至本文发布之时，该板的额定输入电压为80V）。

图4：使用ISL81806和四个GaN FET的EPC9157 参考设计板（仅提供模拟控制）

DSP EVB和模拟EVB的效率比较如图5所示，其效率在峰值功率下非常接近。模拟EVB 具有更好的轻载效率，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要少，而且它可以直接使用12V输出作为IC电源的外部偏置。

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

图6显示了数字和模拟解决方案之间的主要BOM差异（其中省略了无源组件）。很明显，模拟解决方案电路BOM非常简单，它只需一个IC，不需要任何编程。

图6: BOM比较

尽管ISL81806已经提供了卓越的效率、解决方案尺寸和BOM成本，但未来仍有很多改进的空间。正如GaN FET技术在过去几年中迅猛发展一样，瑞萨电子正致力于定义和设计匹配的控制器，其设计团队也面临着新的挑战和机遇。

未来的发展方向可能包括（但不限于）：

• 提高击穿电压

100V击穿电压可能更适合远程AAU以及板装砖式电源模块，尤其适用于具有长电缆的电信设备，可以使其更加坚固。

• 更强大的分离式栅极驱动

实现更高的效率需要更强大的栅极驱动器，但这会导致更快的dV/dt，有可能损坏IC，因为任何非理想布局带来的大量杂散电感会产生负电压。要解决这个问题，可能需要单独导通/关断以优化开关速度，如参考文献中的RAA226110等分立式GaN驱动器IC。

• 更小封装以优化布局

GaN供应商通常建议采用小尺寸封装，如CSP或BGA，这类封装没有扩展引脚，可以进一步降低系统杂散电感。但要注意，某些可能部署在严苛环境中的应用不能采用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（大于200V/ns）和负电压。其内部自举二极管也需要尽可能趋近零Qrr（反向恢复电荷）以实现更高频率。这些需求给IDM 或晶圆代工厂提出了挑战，要求其不断改进IC制造工艺。

• 对死区时间优化的进一步研究

出于安全目的，高侧开关关断和低侧开关导通之间有较短的死区时间。在此期间，GaN FET的“体二极管”会传导负载电流。GaN FET独特的“体二极管”模式具有零反向恢复电荷（Qrr），但正向压降非常大。因此，在死区期间，不仅传导损耗会增加，而且自举电容器也可能会过度充电，直至损坏顶部的器件。为了实现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的差异而发生的变化。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 专门设计了外部低成本保护电路，以避免自举电容器过度充电。不过，这又可能会限制实际的工作频率。部分DC/DC IC供应商会添加死区时间编程引脚或提供死区时间数字化编程。无论采用哪种方式，死区时间选择的艰巨任务都落在电路设计人员肩上。未来，我们需要更智能的IC功能特性。

• 增加灵活性以适应各种GaN技术

与普通硅FET不同，各种GaN FET（包括增强型GaN FET）可能具有完全不同的设计。例如，建议的栅极电压可能因制造商不同而差异很大，这会带来麻烦，因为栅极电压需要通过不同的OVP级别来保护。除了未来产品中的其他可能变量之外，栅极驱动电压也需要可编程。

GaN FET未来可期，终有一日，它会以更合理的成本和更出色的性能，直接替代硅FET。而像ISL81806这类控制器正在通过进一步的产品开发助力实现这一目标。如果控制器设计得当，使用GaN FET会像使用硅FET一样轻松自如。

（参考原文：Simple Use of GaN FETs in 48V Systems）

本文为《电子工程专辑》2021年11月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

责编：Luffy Liu