照片人物：TI Broad Market Power 副總裁暨總經理 Hagop Kozanian
德州儀器 (TI) 在模擬領域傾注相當多的心力，約占總投資六成比重；迄今擁有近 10 萬種組合的多元模擬及嵌入式處理產品，被多達 10 萬家的一流創新企業采用，對電源管理趨勢知之甚詳、且往往是產業風向球。TI Broad Market Power 副總裁暨總經理 Hagop Kozanian 以舉世矚目的工業 4.0 為例，指出感測、高精度模擬、處理、通訊、隔離組件與電源管理等關鍵技術皆圍繞一個主旋律行進：可靠度、精確度、安全和節能；而「產品和系統級可靠度」是主要驅動因子，展現于工廠／建筑自動化、馬達驅動和控制，以及智能電網應用。
圖1：驅動工業4.0的關鍵技術及應用范疇 數據源：TI
功率器件趨向「高整合」與「寬幅操作」
當工程師需要使用超過 10A～15A 的大電流負載點 (POL) 設計時，通常會放棄使用簡便的高密度轉換器 (搭配整合式 MOSFET 晶體管)，轉而選擇較復雜、占空間的外加 MOSFET 晶體管作為控制器；這是因為高密度轉換器只能提供有限電量，根本不足以應付路由器、開關、企業服務器和嵌入式工業系統所需之故。那么，大電流應用的轉換器何處尋？TI 主張可用新一代的 MOSFET 晶體管和封裝技術解決。TI「NexFET」電源 MOSFET 在硅晶體內有較低的電阻率 (Rds(on))，透過 PowerStack 封裝技術堆棧 IC 和 MOSFET 晶體管，可提高電子流動能力。
圖2：控制器匯集成電路和 MOSFET 垂直堆棧在 PowerStack 封裝中
數據源：TI
當工程師需要使用超過 10A～15A 的大電流負載點 (POL) 設計時，通常會放棄使用簡便的高密度轉換器 (搭配整合式 MOSFET 晶體管)，轉而選擇較復雜、占空間的外加 MOSFET 晶體管作為控制器；這是因為高密度轉換器只能提供有限電量，根本不足以應付路由器、開關、企業服務器和嵌入式工業系統所需之故。那么，大電流應用的轉換器何處尋？TI 主張可用新一代的 MOSFET 晶體管和封裝技術解決。TI「NexFET」電源 MOSFET 在硅晶體內有較低的電阻率 (Rds(on))，透過 PowerStack 封裝技術堆棧 IC 和 MOSFET 晶體管，可提高電子流動能力。
圖2：控制器匯集成電路和 MOSFET 垂直堆棧在 PowerStack 封裝中
數據源：TI
為此，TI 以「輸入電壓」與「最大輸出電流」為兩軸，根據不同應用的核心需求歸納出幾大族群，并據以交集出超過 200 種的 DC/DC 解決方案供選擇，將電感 (inductor)、場效晶體管 (FET)、功率因子補償和被動組件集成到單一封裝芯片，例如：可多頻段操作的 TPS54A20 DC/DC 串聯電容降壓轉換器、加入 40A 大電流 DC/DC SWIFT 的 TPS548D22 DC/DC 降壓轉換器，以及工業級 LM5165 和車用級 LM5165-Q1 同步 DC/DC 降壓型穩壓器，可簡化原型設計、制造和驗證的工程時間，且采用者不需琢磨高深電源知識，可將資源集中在重點研發項目。
圖3：TI DC/DC功率模塊產品組合定位
數據源：TI網站 (ti.com/powermodules)
談到高功率的發展，Kozanian 再度重申整合的必要性，強調將驅動器與 FET 封裝在一起，可降低電壓應力和 EMI 等寄生效應。TI 認為，24V 雖是工控／自動化生產的主流標準，但某些應用若電壓不足將造成不穩定，需外加轉換組件以滿足高壓需求，更促使功率產品朝「高整合」與「寬幅操作」方向靠攏。他并預期，「氮化鎵」(GaN) 可望逐漸成為「高功率模塊」的首選；未來更將擴及低電壓應用，如：高端音訊放大器、無人機、電動車、照明、運算、太陽能板、汽車影像技術，以及任何能接上插座的電器裝置。
GaN 應用看好，但仍存在技術瓶頸
GaN 是一種由「鎵」和「氮」兩種元素合成的超高速半導體材料，近年來成為學術界和產業界共同關注和著力研發的熱點，硅基 GaN 功率器件更被視作圣杯。與傳統硅組件相較，GaN 在物理特性上具有明顯優勢：
1. 轉換效率高：GaN 的禁帶寬度是硅的 3 倍、臨界擊穿電場是硅 10 倍，意謂在同樣額定電壓下，GaN 的導通電阻約比硅組件低 1,000 倍，大幅降低開關的導通損耗、使功率密度倍增；
2. 工作頻率高：GaN 的電子渡越時間比硅低 10倍，電子速度比在硅中高兩倍以上、反向恢復時間基本可以忽略，因此 GaN 開關功率器件的工作頻率是硅的 20 倍以上！大幅減少電路中電容、電感等儲能組件的體積、模塊尺寸可縮小 50%，連帶減少設備體積和原材料消耗，而開關頻率高可減少開關損耗，進一步降低總功耗；
3. 耐受溫度高：GaN 的禁帶寬度高達 3.4eV，本征電子濃度極低，電子很難被激發，理論上 GaN 可耐受 800℃ 以上的高溫。
GaN 是一種由「鎵」和「氮」兩種元素合成的超高速半導體材料，近年來成為學術界和產業界共同關注和著力研發的熱點，硅基 GaN 功率器件更被視作圣杯。與傳統硅組件相較，GaN 在物理特性上具有明顯優勢：
1. 轉換效率高：GaN 的禁帶寬度是硅的 3 倍、臨界擊穿電場是硅 10 倍，意謂在同樣額定電壓下，GaN 的導通電阻約比硅組件低 1,000 倍，大幅降低開關的導通損耗、使功率密度倍增；
2. 工作頻率高：GaN 的電子渡越時間比硅低 10倍，電子速度比在硅中高兩倍以上、反向恢復時間基本可以忽略，因此 GaN 開關功率器件的工作頻率是硅的 20 倍以上！大幅減少電路中電容、電感等儲能組件的體積、模塊尺寸可縮小 50%，連帶減少設備體積和原材料消耗，而開關頻率高可減少開關損耗，進一步降低總功耗；
3. 耐受溫度高：GaN 的禁帶寬度高達 3.4eV，本征電子濃度極低，電子很難被激發，理論上 GaN 可耐受 800℃ 以上的高溫。
為降低 GaN 組件成本，業界設法從制程尋求變通：透過外延技術在更大尺寸的硅基取得 GaN 外延片。如此便可使用成熟的硅制程和設備大量生產，再將硅基 GaN 與光電組件、數控電路整合，集成直接面向終端應用的功能性模塊。GaN-on-Si 晶圓仍有三大技術瓶頸待克服：一是失配問題，硅基與 GaN 之間存在晶格常數、熱膨脹系數和晶體結構不匹配；二是極性迥異，由于硅原子間形成的是「純共價鍵」，屬非極性半導體，而 GaN 原子間卻是極性鍵、屬極性半導體；三是硅基上的硅原子擴散，會降低外延層的晶體質量。
圖4：配備集成驅動器的 600W GaN 功率級開關具有高度可靠性，對于隔離式高壓工業電源、電信通訊、企業計算機及再生能源等應用尤其重要
數據源：TI
TI 以「增壓引擎」來比喻 GaN，只要搭配適合的驅動程序、封裝與其他組件，確實能提升服務器和數據中心的系統效能；且可避免電子裝置或設備「散熱不佳」，拖累系統運作。當連網已成為日常生活的一部分，人們對高耗電的數字裝置，以及電力和發電廠的依賴也隨之激增；藉由 GaN 改善電路效率，既環保又節能。此外，小自手機，大至高端工業機具和服務器，各種系統的電路皆需切換數百萬計的小型開關；每一次動作，都會產生熱能、減損供電效率。GaN 可減少生熱，讓開發者能在更小的電路板空間、納入更多的開關設計。
結語
GaN 未能迅速普及的另一個原因，來自于無法確切掌握 GaN 的應力測試和故障模式，包括電源管理的開關條件，傳統硅材料 qual 測試并無法應對。有鑒于此，TI 決意投入整合工作，日前發布首款含 GaN 開關的功率模塊—— LMG3410，不僅在功率密度領先最先進的硅基功率因子修正轉換器，更優于分立式 GaN 器件，可實現全新開關拓樸，并內建保護功能，可預防過熱、短路并因應各種電壓條件。Kozanian統整，電源管理有四大要點：
GaN 未能迅速普及的另一個原因，來自于無法確切掌握 GaN 的應力測試和故障模式，包括電源管理的開關條件，傳統硅材料 qual 測試并無法應對。有鑒于此，TI 決意投入整合工作，日前發布首款含 GaN 開關的功率模塊—— LMG3410，不僅在功率密度領先最先進的硅基功率因子修正轉換器，更優于分立式 GaN 器件，可實現全新開關拓樸，并內建保護功能，可預防過熱、短路并因應各種電壓條件。Kozanian統整，電源管理有四大要點：
1.能源效率：數據儲存須更具成本效益且節能，極低的待機或關機「靜態電流」(Quiescent Current)、同步整流、寬電壓操作是必要條件，但還須針對工廠或汽車等不同應用進行輕載效率優化；
2.高度整合：為減少物料和制程、在更小的電路板空間實現功能設計，寬幅輸入電壓的 DC/DC 電源模塊可簡化設計并符合設計限制；
3.高壓作業：考慮工廠中的人員、設備安全，首重電路系統的穩定性，而整合驅動器的氮化錠 (GaN)，將是高電壓的理想方案；
4.功率密度：電動車的伺服電源供應器和電池必須在更小的尺寸提供更多電力，具高功率密度的 DC/DC 轉換器不可或缺。
2.高度整合：為減少物料和制程、在更小的電路板空間實現功能設計，寬幅輸入電壓的 DC/DC 電源模塊可簡化設計并符合設計限制；
3.高壓作業：考慮工廠中的人員、設備安全，首重電路系統的穩定性，而整合驅動器的氮化錠 (GaN)，將是高電壓的理想方案；
4.功率密度：電動車的伺服電源供應器和電池必須在更小的尺寸提供更多電力，具高功率密度的 DC/DC 轉換器不可或缺。
圖5：TI 致力推廣 GaN 數據源：TI
Kozanian 透露，TI 正將 GaN 擴及模擬和數字電源轉換控制器，以建立完整的生態系統，包括去年發布的 LMG5200—— 集成 80V GaN FET 和驅動器 IC，以及 TPS53632G GaN FET控制器。特別一提的是，TI 相當看重支持服務，備有 WEBENCH 在線設計工具，支持八種語言，可實現端到端電路設計，針對封裝、價格和效率的仿真和優化，并可將電路圖和 PCB 布線文件下載到計算機輔助設計 (CAD) 工具；組件庫內含 120 家廠商所生產的 40,000 多種產品，TI 經銷商每小時會更新價格和供貨情況，便于用戶比較整個系統設計并決定供應鏈。
