上个月，小米在Mi 10发布会上推出65W氮化镓（GaN）充电器，引起市场对GaN技术的广泛关注。相比于硅材料，GaN具有高功率密度、高频率和高热导率等优势，从而使得充电器可以在做到大功率输出的同时实现小体积。EDN上的文章《一文看懂小米捧红的氮化镓快充到底是什么？》对GaN技术进行了详细科普。本文就来讨论下这项技术的现状以及未来又会有何发展。
早在去年，笔者就听到GaN充电器今年将会爆发的风声。其实前年市场上就已陆续出现了非原装的USB PD适配器产品，例如Anker和RAVPower等，小米并非是最早尝鲜者。但相比之下，小米产品的输出功率更大，价格也变得更便宜。随着5G手机的来临以及手机屏幕不断增强，电池容量变得越来越大。因此，市场迫切需要有更厉害的快充技术来提供支持（据了解，华为、OPPO、三星、苹果也都在积极布局GaN技术）。
去年笔者就在几次活动中询问过几家半导体厂商，GaN/SiC产品设计如何解决开关频率过高所产生的EMI问题，得到的答案是集成。例如，“将栅极驱动器和控制器IC集成起来，是帮助减轻快速开关器件EMI问题的绝佳方法。”UnitedSiC公司总裁兼CEO Chris Dries如是说。那么，现在的GaN充电器芯片，它们的集成度又如何（这类产品是否已成熟）？
据悉，小米的这款充电器所用器件是纳微半导体（Navitas）的NV6115和NV6117 GaNFast功率IC——该公司号称是业界首家且唯一一家的GaN功率IC供应商。通过datasheet不难知道，这两款IC将单个开关管和单个驱动器集成在一起（两者只是漏源通态电阻RDS(ON)不同）；而GaN市场上的其他供应商则大多是提供分立式的GaN开关管（Power Integrations去年发布的PowiGAN也实现了GaN开关管与控制器的集成，但应不是单die）。
电子产品的最终发展趋势是集成（可实现高性能和低成本两方面好处），这对GaN来说也如此。如果能将半桥开关管和驱动器集成在一起，则可以降低驱动器和开关管之间以及开关结点之间的寄生电容（寄生电容越小，晶体管工作越快），从而发挥出GaN技术的全部潜力。
（图片来源：imec）
然而，要实现这样的单片集成，挑战也不小。
功率器件领域所用的GaN一般是硅基GaN。从Navitas的Power IC可知，他们现在实现的是单驱动器与单开关管的集成——实现半桥电路需要用到两颗IC（见下图）。然而，对于硅基GaN来说，如果要更进一步将半桥开关管与驱动器集成起来，则会遇到背栅效应问题。
（图片来源：Navitas）
背栅效应：在很多情况下，源极和衬底的电位并不相同。对NMOS管而言，衬底通常接电路的最低电位，有VBS≤0；对PMOS管而言，衬底通常接电路的最高电位，有VBS≥0。这时，MOS管的阈值电压将随其源极和衬底之间电位的不同而发生变化。这一效应称为“背栅效应”（见下图，一目了然）。
（图片来源：imec）
背栅效应会对半桥中的高侧开关产生不利影响，而在衬底中引起电流/功耗，并且产生的开关噪声也会使控制电路受到干扰。
这个问题怎么解决？绝缘硅（SOI）在这里就可以派上用场。
据了解，比利时微电子研究中心（imec）就对此推出了SOI基GaN的解决方案（详见“TUTORIAL: All-GaN GaN-ICs in the IMEC's GaN-on-SOI technology”）。如下图所示，通过引入埋氧层（BOX），半桥结构中的上管和下管之间实现了电气隔离，因此就消除了背栅效应。然后，通过在衬底上嵌入晶体管逻辑和无源元件（电阻、电容）等，就可以在单die上集成完整的高端电源系统。
（图片来源：imec）
另一篇论文“SOI: A Great Foundation For The GaN HEMT”也指出，SOI可以解决硅基GaN所遇到的三个问题：1. 由于硅基GaN的两种半导体之间存在大晶格失配以及硅的电场强度相对较低，硅衬底会发生垂直电气击穿。2.GaN生长的最佳硅平面是（111），而传统硅器件的平面是（100）；3.硅衬底由于其低电阻率和高损耗正切特性，会产生功率损耗。
综上所述，在笔者看来，不管是从性能、体积还是成本方面，GaN快充技术都还有更大的潜力可挖。各位EDN的小伙伴们，你们又怎么认为呢？
最前沿的电子设计资讯
