照片人物：TI Broad Market Power 副总裁暨总经理 Hagop Kozanian
德州仪器 (TI) 在模拟领域倾注相当多的心力，约占总投资六成比重；迄今拥有近 10 万种组合的多元模拟及嵌入式处理产品，被多达 10 万家的一流创新企业采用，对电源管理趋势知之甚详、且往往是产业风向球。TI Broad Market Power 副总裁暨总经理 Hagop Kozanian 以举世瞩目的工业 4.0 为例，指出感测、高精度模拟、处理、通讯、隔离组件与电源管理等关键技术皆围绕一个主旋律行进：可靠度、精确度、安全和节能；而「产品和系统级可靠度」是主要驱动因子，展现于工厂／建筑自动化、马达驱动和控制，以及智能电网应用。
图1：驱动工业4.0的关键技术及应用范畴 数据源：TI
功率器件趋向「高整合」与「宽幅操作」
当工程师需要使用超过 10A～15A 的大电流负载点 (POL) 设计时，通常会放弃使用简便的高密度转换器 (搭配整合式 MOSFET 晶体管)，转而选择较复杂、占空间的外加 MOSFET 晶体管作为控制器；这是因为高密度转换器只能提供有限电量，根本不足以应付路由器、开关、企业服务器和嵌入式工业系统所需之故。那么，大电流应用的转换器何处寻？TI 主张可用新一代的 MOSFET 晶体管和封装技术解决。TI「NexFET」电源 MOSFET 在硅晶体内有较低的电阻率 (Rds(on))，透过 PowerStack 封装技术堆栈 IC 和 MOSFET 晶体管，可提高电子流动能力。
图2：控制器汇集成电路和 MOSFET 垂直堆栈在 PowerStack 封装中
数据源：TI
当工程师需要使用超过 10A～15A 的大电流负载点 (POL) 设计时，通常会放弃使用简便的高密度转换器 (搭配整合式 MOSFET 晶体管)，转而选择较复杂、占空间的外加 MOSFET 晶体管作为控制器；这是因为高密度转换器只能提供有限电量，根本不足以应付路由器、开关、企业服务器和嵌入式工业系统所需之故。那么，大电流应用的转换器何处寻？TI 主张可用新一代的 MOSFET 晶体管和封装技术解决。TI「NexFET」电源 MOSFET 在硅晶体内有较低的电阻率 (Rds(on))，透过 PowerStack 封装技术堆栈 IC 和 MOSFET 晶体管，可提高电子流动能力。
图2：控制器汇集成电路和 MOSFET 垂直堆栈在 PowerStack 封装中
数据源：TI
为此，TI 以「输入电压」与「最大输出电流」为两轴，根据不同应用的核心需求归纳出几大族群，并据以交集出超过 200 种的 DC/DC 解决方案供选择，将电感 (inductor)、场效晶体管 (FET)、功率因子补偿和被动组件集成到单一封装芯片，例如：可多频段操作的 TPS54A20 DC/DC 串联电容降压转换器、加入 40A 大电流 DC/DC SWIFT 的 TPS548D22 DC/DC 降压转换器，以及工业级 LM5165 和车用级 LM5165-Q1 同步 DC/DC 降压型稳压器，可简化原型设计、制造和验证的工程时间，且采用者不需琢磨高深电源知识，可将资源集中在重点研发项目。
图3：TI DC/DC功率模块产品组合定位
数据源：TI网站 (ti.com/powermodules)
谈到高功率的发展，Kozanian 再度重申整合的必要性，强调将驱动器与 FET 封装在一起，可降低电压应力和 EMI 等寄生效应。TI 认为，24V 虽是工控／自动化生产的主流标准，但某些应用若电压不足将造成不稳定，需外加转换组件以满足高压需求，更促使功率产品朝「高整合」与「宽幅操作」方向靠拢。他并预期，「氮化镓」(GaN) 可望逐渐成为「高功率模块」的首选；未来更将扩及低电压应用，如：高端音讯放大器、无人机、电动车、照明、运算、太阳能板、汽车影像技术，以及任何能接上插座的电器装置。
GaN 应用看好，但仍存在技术瓶颈
GaN 是一种由「镓」和「氮」两种元素合成的超高速半导体材料，近年来成为学术界和产业界共同关注和着力研发的热点，硅基 GaN 功率器件更被视作圣杯。与传统硅组件相较，GaN 在物理特性上具有明显优势：
1. 转换效率高：GaN 的禁带宽度是硅的 3 倍、临界击穿电场是硅 10 倍，意谓在同样额定电压下，GaN 的导通电阻约比硅组件低 1,000 倍，大幅降低开关的导通损耗、使功率密度倍增；
2. 工作频率高：GaN 的电子渡越时间比硅低 10倍，电子速度比在硅中高两倍以上、反向恢复时间基本可以忽略，因此 GaN 开关功率器件的工作频率是硅的 20 倍以上！大幅减少电路中电容、电感等储能组件的体积、模块尺寸可缩小 50%，连带减少设备体积和原材料消耗，而开关频率高可减少开关损耗，进一步降低总功耗；
3. 耐受温度高：GaN 的禁带宽度高达 3.4eV，本征电子浓度极低，电子很难被激发，理论上 GaN 可耐受 800℃ 以上的高温。
GaN 是一种由「镓」和「氮」两种元素合成的超高速半导体材料，近年来成为学术界和产业界共同关注和着力研发的热点，硅基 GaN 功率器件更被视作圣杯。与传统硅组件相较，GaN 在物理特性上具有明显优势：
1. 转换效率高：GaN 的禁带宽度是硅的 3 倍、临界击穿电场是硅 10 倍，意谓在同样额定电压下，GaN 的导通电阻约比硅组件低 1,000 倍，大幅降低开关的导通损耗、使功率密度倍增；
2. 工作频率高：GaN 的电子渡越时间比硅低 10倍，电子速度比在硅中高两倍以上、反向恢复时间基本可以忽略，因此 GaN 开关功率器件的工作频率是硅的 20 倍以上！大幅减少电路中电容、电感等储能组件的体积、模块尺寸可缩小 50%，连带减少设备体积和原材料消耗，而开关频率高可减少开关损耗，进一步降低总功耗；
3. 耐受温度高：GaN 的禁带宽度高达 3.4eV，本征电子浓度极低，电子很难被激发，理论上 GaN 可耐受 800℃ 以上的高温。
为降低 GaN 组件成本，业界设法从制程寻求变通：透过外延技术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设备大量生产，再将硅基 GaN 与光电组件、数控电路整合，集成直接面向终端应用的功能性模块。GaN-on-Si 晶圆仍有三大技术瓶颈待克服：一是失配问题，硅基与 GaN 之间存在晶格常数、热膨胀系数和晶体结构不匹配；二是极性迥异，由于硅原子间形成的是「纯共价键」，属非极性半导体，而 GaN 原子间却是极性键、属极性半导体；三是硅基上的硅原子扩散，会降低外延层的晶体质量。
图4：配备集成驱动器的 600W GaN 功率级开关具有高度可靠性，对于隔离式高压工业电源、电信通讯、企业计算机及再生能源等应用尤其重要
数据源：TI
TI 以「增压引擎」来比喻 GaN，只要搭配适合的驱动程序、封装与其他组件，确实能提升服务器和数据中心的系统效能；且可避免电子装置或设备「散热不佳」，拖累系统运作。当连网已成为日常生活的一部分，人们对高耗电的数字装置，以及电力和发电厂的依赖也随之激增；藉由 GaN 改善电路效率，既环保又节能。此外，小自手机，大至高端工业机具和服务器，各种系统的电路皆需切换数百万计的小型开关；每一次动作，都会产生热能、减损供电效率。GaN 可减少生热，让开发者能在更小的电路板空间、纳入更多的开关设计。
结语
GaN 未能迅速普及的另一个原因，来自于无法确切掌握 GaN 的应力测试和故障模式，包括电源管理的开关条件，传统硅材料 qual 测试并无法应对。有鉴于此，TI 决意投入整合工作，日前发布首款含 GaN 开关的功率模块—— LMG3410，不仅在功率密度领先最先进的硅基功率因子修正转换器，更优于分立式 GaN 器件，可实现全新开关拓朴，并内建保护功能，可预防过热、短路并因应各种电压条件。Kozanian统整，电源管理有四大要点：
GaN 未能迅速普及的另一个原因，来自于无法确切掌握 GaN 的应力测试和故障模式，包括电源管理的开关条件，传统硅材料 qual 测试并无法应对。有鉴于此，TI 决意投入整合工作，日前发布首款含 GaN 开关的功率模块—— LMG3410，不仅在功率密度领先最先进的硅基功率因子修正转换器，更优于分立式 GaN 器件，可实现全新开关拓朴，并内建保护功能，可预防过热、短路并因应各种电压条件。Kozanian统整，电源管理有四大要点：
1.能源效率：数据储存须更具成本效益且节能，极低的待机或关机「静态电流」(Quiescent Current)、同步整流、宽电压操作是必要条件，但还须针对工厂或汽车等不同应用进行轻载效率优化；
2.高度整合：为减少物料和制程、在更小的电路板空间实现功能设计，宽幅输入电压的 DC/DC 电源模块可简化设计并符合设计限制；
3.高压作业：考虑工厂中的人员、设备安全，首重电路系统的稳定性，而整合驱动器的氮化锭 (GaN)，将是高电压的理想方案；
4.功率密度：电动车的伺服电源供应器和电池必须在更小的尺寸提供更多电力，具高功率密度的 DC/DC 转换器不可或缺。
2.高度整合：为减少物料和制程、在更小的电路板空间实现功能设计，宽幅输入电压的 DC/DC 电源模块可简化设计并符合设计限制；
3.高压作业：考虑工厂中的人员、设备安全，首重电路系统的稳定性，而整合驱动器的氮化锭 (GaN)，将是高电压的理想方案；
4.功率密度：电动车的伺服电源供应器和电池必须在更小的尺寸提供更多电力，具高功率密度的 DC/DC 转换器不可或缺。
图5：TI 致力推广 GaN 数据源：TI
Kozanian 透露，TI 正将 GaN 扩及模拟和数字电源转换控制器，以建立完整的生态系统，包括去年发布的 LMG5200—— 集成 80V GaN FET 和驱动器 IC，以及 TPS53632G GaN FET控制器。特别一提的是，TI 相当看重支持服务，备有 WEBENCH 在线设计工具，支持八种语言，可实现端到端电路设计，针对封装、价格和效率的仿真和优化，并可将电路图和 PCB 布线文件下载到计算机辅助设计 (CAD) 工具；组件库内含 120 家厂商所生产的 40,000 多种产品，TI 经销商每小时会更新价格和供货情况，便于用户比较整个系统设计并决定供应链。
