氮化镓功率器件及其应用(二)—TI用氮化镓器件实现的DCDC设计方案

okay，这个是我们最近刚刚做完的

一个具体的一个参考设计

从 DC 到 DC 的用数字控制器 UCD3138 来做的

一个氮化镓的具体的模块应用

TI 最新的这个针对 DCDC100V 的应用是 48V 系统

36V到60V这个系列5200

它里面的大概的结构

其中的一个 Driver 再加上两个氮化镓

作为上下管的结构

这个信号呢

你只要输入普通的五伏的电平

就可以驱动这两个上下管交替工作

这个工作频率可以做得非常高

基本上你可以认为

只要不超出这个时间范围都是 OK 的

它的开通时间和关断时间

大概是在10纳秒以下

从实际测量来看的话

无论是开通还是关断

它的那个时间大概在5到8个纳秒的时间

换句话说我们可以把这个管子的频率做得非常高

尺寸大概是在6×8QFN

就是比通常的QFN5×6稍微大一点

我们可以看到跟一个硬币比做对比的话

差不多是两个管子到三个管子的宽度

TI 把氮化镓的 MOS 和 Driver 做到一起

最主要的优点是我们可以避免 driver 本身

因为它的开关速度通常是非常高

一般正常下它会设定在一兆左右的开关频率

避免这个地方引起的震荡和其它的一些信号干扰

也尽量减少 DS 之间的电感等效电感

带来的一些影响

那么最终我们可以得到在整个外围的

这个器件本身上面表现出来的特性

整个的波形非常的干净

中间的这个上升率包括中间的震荡都非常小

3138A 是 TI 的一个专门针对数字电源做的

一个数字控制器

它大概上的结构是一个 ARM7 的内核

再加上高速的数字环路 PID 控制环路

那么在启动运行当中

那么在启动运行当中

通过 ARM 的指令调整对应的环路控制参数

包括 PID 参数，包括保护和包括 PWM 信号的切换

这个控制器是一个非常强大

也做得非常灵活的一个配置

针对 PWM 输出

有三路的 EADC 对应的控制回路

我们这个应用就以这个控制器作为 controller来做

这个参考设计我们大概的结构是这样的

输入是36到60伏

第一级是 Buck

Buck 用了 5200，输出29V10A

Buck 用了 5200，输出29V10A

这一路是针对这个通信的 Telecom 的客户

这一类的话通常是

给到 PA 给到放大器来做供电的

给到 PA 给到放大器来做供电的

另外一路是输出5V到12V

这一路是可调的

这一路针对它的一些外围的一些器件作供电

第三路输出是1V到1.5V可以调

那么这一类主要是针对这个

比如说功率比较大的数字芯片

FPGA 或者 ASIC 或者 DSP 这一类的应用

作为338同时控制三路两个 Buck

和一个半桥带倍流整流的拓扑

一个半桥带倍流整流的拓扑

最终做下来

我们可以看到29V这一路的效率大概在98.4%

我们可以看到29V这一路的效率大概在98.4%

12V这一路的效率大概是在92.5%

1V的这一路最高效率大概91%

重载效率是86%

但是现在最新的有些改进的话

但是现在最新的有些改进的话

可以做到88%到89%

我们在这个板上做了一些对比

就是说跟传统的这个硅的 MOS 做了一些对比

就是说跟传统的这个硅的 MOS 做了一些对比

那么选择 TI 自己的 EVM 板

控制器是 5117

在板上做这是两个普通的这个 MOS 管

做一个 Buck

相对来说

我们可以看到在同等的功率

我们可以看到在同等的功率

同等的这个输出和同样的输入的情况下

同等的这个输出和同样的输入的情况下

我们可以把这个尺寸

从原有的这个尺寸减小到这个尺寸

原来的尺寸大概是在45mm乘30mm

然后乘以8.9mm，就长乘宽乘高

然后乘以8.9mm，就长乘宽乘高

如果说用这个氮化镓的话

我们可以做到把整个的这个 Buck 的尺寸

压缩到15×10×2.8mm

压缩到15×10×2.8mm

这个尺寸压缩大概只有原来的15%的样子

但是同样地，我们后面可以看到

在尺寸压缩的同时

我们可以得到一个效率的提升

大概有十个点的样子

这个是 Buck

MOS 管做的 Buck 和氮化镓的 Buck

做了一个具体的对比

在同样是800K的这个工作频率下

我们可以看到同样的输出电感

同样的工作电感

同样的输出的电压电流

比如说这个60V

这条线是60V

这个是从0.5A到10A

那么对应的 MOS ，下面是 MOS 的

基本上有十个点以上的效率优势

这个图是针对不同的频率做了一个对比

我们可以看到5200在不同的工作频率下

在600K、800K的工作频率下

其实它的效率曲线基本上是重合的

但是对于 MOS 来说

只要工作频率一提高

那么它整个效率就会往下掉

这个是29V10A输出的效率曲线和数据

我们可以看到在36V、48V、60V

它整个的重载效率基本上都在96%以上

针对1V的输出

传统的1V对 FPGA 或者 DSP

或者是那个 ASIC 的供电

或者是那个 ASIC 的供电

通常我们以往的做法是先从 ACDC 转换到48V

那么再从48伏通过这个砖模块

1/8砖或者1/4砖转化到12V

12V总线再通过一个 PLL interleaved 的 Buck

或者是三相甚至四相的 Buck

那么转化成1V

这里输出电流可以是40A，50A或者

更高一些

像这个传统的结构

我们可以看到它两级的效率

这一级基本上正常是95%峰值可以取到96%左右

这一级的效率，正常的话应该是85%到86%

但是现在做的好一些的效率会高一些

那么两级的效率加起来的话

我们可以看到大概是在81%的样子

但是我们通过这个半桥就是5200

作为这个半桥和两个电容配合

作为这个半桥和两个电容配合

通过这个变压器的方式做复变输出

倍流整流输出1V到1.5V

事实上最大可以取到50A到60A的样子

那么这个单级的这个效率可以做到86%

那么这个单极的这个效率可以做到86%

现在最新的数据可以做到88%到89%

那么整个的效率会比它差不多要高六七个点

甚至是十个点左右

这个是之前1V40A的这个效率数据

我们可以看到就是说在15安培左右

大概是在90%到91%的样子

在30A的话

大概是在88%这样子

大概是在88%这样子

到了40A这里会掉下来一点

大概是在86.3%的样子

最新的那个改进的这一段的效率会再往上走

大概2个点的样子

这个是氮化镓器件的 Switching Node

或者说它的那个开关波形

在 Buck 电感的前端

我们可以看到这个点的开关波形

一个是开通，一个是关断

我们可以看到标尺的话是5个ns一格

你可以看到在这关断时候速度非常地快

大概就是一格多一点点

那么在开通的时候这个速度也是非常地快

大概就是5到8个ns

那么基本上你很少会看到有反向恢复的过程

这里会有一点点类似于 VF 的电压

这个电压是中间它在切换的一个过渡过程

类似于一个体二极管

实际上它们没有体二极管

那么这个 VF 的电压会比较高一点

大概是在4V到4.5V的样子

但是这个时间非常短

大概只有3到4ns

这个是4486这个参考设计输出三路的这个波形

那么这是启机

三路的话

因为数字控制器可以控制这个启机的斜率

包括启机的顺序和时间

那么这些启机的点包括启机的斜率

都是可以按照要求来进行调整的

这是关机

关机也可以按照我们的需要

来进行这个顺序和时序的控制

这个是输出的 ripple 和 noise

这个是动态，12V和29V做一个动态跳变

那么这个是1V的一个动态跳变过程

那么我就按照这个过程△V

包括那个相应对应的它的那个相位裕量

稳定性都是非常好的

这个是一个整个的热成像的

就是我们的这个板子带了满载大概15分钟之后

我们看到整个的热分布相对来说比较

温升相对来说是比较均匀的

主要的热是集中在电感和开发板上

那么这个是5200在 DCDC 或者说是针对

48V系统这里面的一个应用的具体的展示

那么在这个参考设计上

我们可以看到氮化镓在具体的应用当中

因为它本身的一些优良特性

我们可以把这个开关频率做得非常高

效率包括尺寸都可以比传统的这种 MOS

要有相应的相当大的一个提升

在它整个的这个工作过程当中

基本上很难看到有反向恢复的过程

那么对于整个的高功率密度

高效率的这个设计来说

氮化镓是非常有帮助的

那么在 5200

这是应该说是 TI

现在DC到DC的一百伏等级的

第一代的氮化镓的器件

那后续还有会有相应的特性更好

包括那个 Rdson 更好

新的器件会有出来

okay，这个是我们最近刚刚做完的

一个具体的一个参考设计

从 DC 到 DC 的用数字控制器 UCD3138 来做的

一个氮化镓的具体的模块应用

TI 最新的这个针对 DCDC100V 的应用是 48V 系统

36V到60V这个系列5200

它里面的大概的结构

其中的一个 Driver 再加上两个氮化镓

作为上下管的结构

这个信号呢

你只要输入普通的五伏的电平

就可以驱动这两个上下管交替工作

这个工作频率可以做得非常高

基本上你可以认为

只要不超出这个时间范围都是 OK 的

它的开通时间和关断时间

大概是在10纳秒以下

从实际测量来看的话

无论是开通还是关断

它的那个时间大概在5到8个纳秒的时间

换句话说我们可以把这个管子的频率做得非常高

尺寸大概是在6×8QFN

就是比通常的QFN5×6稍微大一点

我们可以看到跟一个硬币比做对比的话

差不多是两个管子到三个管子的宽度

TI 把氮化镓的 MOS 和 Driver 做到一起

最主要的优点是我们可以避免 driver 本身

因为它的开关速度通常是非常高

一般正常下它会设定在一兆左右的开关频率

避免这个地方引起的震荡和其它的一些信号干扰

也尽量减少 DS 之间的电感等效电感

带来的一些影响

那么最终我们可以得到在整个外围的

这个器件本身上面表现出来的特性

整个的波形非常的干净

中间的这个上升率包括中间的震荡都非常小

3138A 是 TI 的一个专门针对数字电源做的

一个数字控制器

它大概上的结构是一个 ARM7 的内核

再加上高速的数字环路 PID 控制环路

那么在启动运行当中

那么在启动运行当中

通过 ARM 的指令调整对应的环路控制参数

包括 PID 参数，包括保护和包括 PWM 信号的切换

这个控制器是一个非常强大

也做得非常灵活的一个配置

针对 PWM 输出

有三路的 EADC 对应的控制回路

我们这个应用就以这个控制器作为 controller来做

这个参考设计我们大概的结构是这样的

输入是36到60伏

第一级是 Buck

Buck 用了 5200，输出29V10A

Buck 用了 5200，输出29V10A

这一路是针对这个通信的 Telecom 的客户

这一类的话通常是

给到 PA 给到放大器来做供电的

给到 PA 给到放大器来做供电的

另外一路是输出5V到12V

这一路是可调的

这一路针对它的一些外围的一些器件作供电

第三路输出是1V到1.5V可以调

那么这一类主要是针对这个

比如说功率比较大的数字芯片

FPGA 或者 ASIC 或者 DSP 这一类的应用

作为338同时控制三路两个 Buck

和一个半桥带倍流整流的拓扑

一个半桥带倍流整流的拓扑

最终做下来

我们可以看到29V这一路的效率大概在98.4%

我们可以看到29V这一路的效率大概在98.4%

12V这一路的效率大概是在92.5%

1V的这一路最高效率大概91%

重载效率是86%

但是现在最新的有些改进的话

但是现在最新的有些改进的话

可以做到88%到89%

我们在这个板上做了一些对比

就是说跟传统的这个硅的 MOS 做了一些对比

就是说跟传统的这个硅的 MOS 做了一些对比

那么选择 TI 自己的 EVM 板

控制器是 5117

在板上做这是两个普通的这个 MOS 管

做一个 Buck

相对来说

我们可以看到在同等的功率

我们可以看到在同等的功率

同等的这个输出和同样的输入的情况下

同等的这个输出和同样的输入的情况下

我们可以把这个尺寸

从原有的这个尺寸减小到这个尺寸

原来的尺寸大概是在45mm乘30mm

然后乘以8.9mm，就长乘宽乘高

然后乘以8.9mm，就长乘宽乘高

如果说用这个氮化镓的话

我们可以做到把整个的这个 Buck 的尺寸

压缩到15×10×2.8mm

压缩到15×10×2.8mm

这个尺寸压缩大概只有原来的15%的样子

但是同样地，我们后面可以看到

在尺寸压缩的同时

我们可以得到一个效率的提升

大概有十个点的样子

这个是 Buck

MOS 管做的 Buck 和氮化镓的 Buck

做了一个具体的对比

在同样是800K的这个工作频率下

我们可以看到同样的输出电感

同样的工作电感

同样的输出的电压电流

比如说这个60V

这条线是60V

这个是从0.5A到10A

那么对应的 MOS ，下面是 MOS 的

基本上有十个点以上的效率优势

这个图是针对不同的频率做了一个对比

我们可以看到5200在不同的工作频率下

在600K、800K的工作频率下

其实它的效率曲线基本上是重合的

但是对于 MOS 来说

只要工作频率一提高

那么它整个效率就会往下掉

这个是29V10A输出的效率曲线和数据

我们可以看到在36V、48V、60V

它整个的重载效率基本上都在96%以上

针对1V的输出

传统的1V对 FPGA 或者 DSP

或者是那个 ASIC 的供电

或者是那个 ASIC 的供电

通常我们以往的做法是先从 ACDC 转换到48V

那么再从48伏通过这个砖模块

1/8砖或者1/4砖转化到12V

12V总线再通过一个 PLL interleaved 的 Buck

或者是三相甚至四相的 Buck

那么转化成1V

这里输出电流可以是40A，50A或者

更高一些

像这个传统的结构

我们可以看到它两级的效率

这一级基本上正常是95%峰值可以取到96%左右

这一级的效率，正常的话应该是85%到86%

但是现在做的好一些的效率会高一些

那么两级的效率加起来的话

我们可以看到大概是在81%的样子

但是我们通过这个半桥就是5200

作为这个半桥和两个电容配合

作为这个半桥和两个电容配合

通过这个变压器的方式做复变输出

倍流整流输出1V到1.5V

事实上最大可以取到50A到60A的样子

那么这个单级的这个效率可以做到86%

那么这个单极的这个效率可以做到86%

现在最新的数据可以做到88%到89%

那么整个的效率会比它差不多要高六七个点

甚至是十个点左右

这个是之前1V40A的这个效率数据

我们可以看到就是说在15安培左右

大概是在90%到91%的样子

在30A的话

大概是在88%这样子

大概是在88%这样子

到了40A这里会掉下来一点

大概是在86.3%的样子

最新的那个改进的这一段的效率会再往上走

大概2个点的样子

这个是氮化镓器件的 Switching Node

或者说它的那个开关波形

在 Buck 电感的前端

我们可以看到这个点的开关波形

一个是开通，一个是关断

我们可以看到标尺的话是5个ns一格

你可以看到在这关断时候速度非常地快

大概就是一格多一点点

那么在开通的时候这个速度也是非常地快

大概就是5到8个ns

那么基本上你很少会看到有反向恢复的过程

这里会有一点点类似于 VF 的电压

这个电压是中间它在切换的一个过渡过程

类似于一个体二极管

实际上它们没有体二极管

那么这个 VF 的电压会比较高一点

大概是在4V到4.5V的样子

但是这个时间非常短

大概只有3到4ns

这个是4486这个参考设计输出三路的这个波形

那么这是启机

三路的话

因为数字控制器可以控制这个启机的斜率

包括启机的顺序和时间

那么这些启机的点包括启机的斜率

都是可以按照要求来进行调整的

这是关机

关机也可以按照我们的需要

来进行这个顺序和时序的控制

这个是输出的 ripple 和 noise

这个是动态，12V和29V做一个动态跳变

那么这个是1V的一个动态跳变过程

那么我就按照这个过程△V

包括那个相应对应的它的那个相位裕量

稳定性都是非常好的

这个是一个整个的热成像的

就是我们的这个板子带了满载大概15分钟之后

我们看到整个的热分布相对来说比较

温升相对来说是比较均匀的

主要的热是集中在电感和开发板上

那么这个是5200在 DCDC 或者说是针对

48V系统这里面的一个应用的具体的展示

那么在这个参考设计上

我们可以看到氮化镓在具体的应用当中

因为它本身的一些优良特性

我们可以把这个开关频率做得非常高

效率包括尺寸都可以比传统的这种 MOS

要有相应的相当大的一个提升

在它整个的这个工作过程当中

基本上很难看到有反向恢复的过程

那么对于整个的高功率密度

高效率的这个设计来说

氮化镓是非常有帮助的

那么在 5200

这是应该说是 TI

现在DC到DC的一百伏等级的

第一代的氮化镓的器件

那后续还有会有相应的特性更好

包括那个 Rdson 更好

新的器件会有出来