【導讀】目前，電源在電子行業已經占據舉足輕重的地位。數字電路設計師過去只是在PCB上留給電源設計人員一點空間（如果足夠大的話），并要求提供12V電壓。現在電源的威力可大多了，不但可以讓電動車跑得更遠，而且讓手機充電更快，甚至可以讓電力設備經理節省兩位數的能源成本。
電源革命
1977年HEXFET問世，它是由國際整流器公司（IR）的Alex Lidow和Dan Kenza領導的團隊開發的。 Silicon General和Unitrod也在那一年開發出了電源管理芯片（PWMIC）。磁性材料也取得了突破，讓元器件變得更快。曾經只在大學里出現的新型結構突然變成了行業主流。讓開關電源成功商業化的核心技術發生在20世紀70年代后期。
功率半導體、拓撲、控制器和磁性材料的大融合為業界帶來了驚人的變化：效率提高、相應功率密度增加，同時成本直線下降。這為電子行業的大量開發鋪平了道路，為我們帶來了很多新的技術，比如諧振電源、LLC轉換器，以及英飛凌突破性的CoolMOS技術。
寬禁帶半導體代表了功率電子的第二次革命。這些新型功率半導體激發了控制器公司的新控制器和改進的拓撲結構，如90年代后期推出的有源鉗位反激式技術。此外，最新的磁性元件可在一兆赫茲或兩兆赫茲下工作。同樣，在這場革命中，效率提高、頻率上升，成本卻不斷下降。
圖1：電源發展歷程
功率密度（AC-DC轉換器~300W）；線性調節器；開關調節器；高頻開關調節器；新磁性元件；新控制器；新拓撲結構；2倍低損耗；3倍低成本/W；10年5倍提升；超過30年每年<10%改善；十年5倍提升；新GaN功率IC；效率。
運行更快
過去幾年來，磁性能方面取得了重大進展，而且出現了改進的材料。就拿GaN來說，兩年前人們還認為磁性不存在，為什么還要試圖加快速度呢，但現在已經證明事實并非如此。
隨著半導體和磁性技術的快速發展，控制器也是一個需要開發的領域，要跟上其他相關器件的快速發展。以Navitas公司的AllGaN技術為例，該公司采用增強模式GaN FET，并將之與驅動器集成在同一芯片上。 Navitas還可以集成其他器件，如電平轉換器或ECD二極管，甚至是邏輯欠壓鎖定，使其更接近真正的GaN功率芯片。
圖2：AllGaN功率芯片的特性
由于這一切都發生在單個芯片上，因此相對容易制造和封裝，這自然也帶來了其他系統好處。由于FET的柵極直接連接到柵極驅動器的輸出，因此驅動器輸出和柵極輸入之間的阻抗為零。 這也意味著GaN作為分立器件不容易搞定，但如果你能在一個盒子里集成一個完整的解決方案，那就意味著你可以小心地控制流向柵極的電壓，這意味著也可以保護柵極。
集成的方案還意味著可以在高頻工作，而不必擔心柵極阻抗會影響性能、效率和穩定性。 另一個優點是集成的驅動器可以提高穩健性，使用單芯片解決方案，布局也比較靈活。
圖3：GaN芯片集成解決方案
寬范圍Vcc；調節器可保護SOA內的VGS；滯后的PWM可抗噪聲干擾；整體布局靈活簡潔；柵極可防止外部噪聲。
開關
在高頻應用中，軟開關諧振拓撲是一種很好的方法。 但在實際情況下，可能存在啟動例程，也許是突發模式，你可以進行硬切換。 要知道一切都非常艱難，可以可靠地進行硬切換，也可以進行軟切換。
沒有柵極阻抗或電阻的分立解決方案會產生不穩定的電路。 如果添加了阻抗，它會變得穩定，但也會導致很長的開關周期。 因此，如果可以直接連接驅動器輸出和柵極輸入，那么就可以快速運行并保持穩定。壓擺率只需要一個電阻即可搞定。 因此，集成意味著一種非常可控的高性能器件。
圖4：分離驅動器和分離FET與GaN功率芯片性能比較
關于集成的另一個問題是ESD。標準硅MOSFET的ESD非常容易理解。PWMIC的ESD也是眾所周知的。而GaN器件是分立形式的，其ESD就不是那么容易理解。我們必須要小心，但如果你要設計功率IC，那么就要將ESD二極管放在上面。因此，這也成為通過集成使生活變得更為輕松的另一種方式，可以集成電平移位器，或半橋直通保護之類的東西。
在這種情況下，集成解決方案占板面積為6×8mm，具有完整的半橋系統和自舉充電功能，以及欠壓鎖定和ESD保護特性。在頻率方面，這些器件的額定值為2兆赫茲。關于高頻電平轉換的一個注意事項是，存在電感耦合或電容耦合的技術可以進行電平轉換，但其本質上是不同的技術。
集成的優勢
在易用性方面，相對于分立方案，帶驅動器的集成方案可明顯減少組件數量，使設計更具可預測性，而且設計速度也更快，性能更高。集成是控制和性能的關鍵。集成的解決方案可提供一個可預測的構建模塊。
圖5：分離方案與集成方案的對比
圖6示出了一個65W電源參考設計的示例，這是一種采用軟開關型態、運行頻率約為300kHz的有源鉗位反激式設計。 對于標準反激式或準諧振反激式設計，緩沖網絡處理反激電壓。 用第二個開關替換緩沖網絡，它就變成了一個半橋，能夠將頻率提高到300kHz。
圖6：一個65W電源參考設計示例
有源鉗位由弗吉尼亞理工大學（Virginia Polytech）于1996年推出，現在的控制IC不僅可以達到很高的功率密度，而且還滿足DoE六級要求和歐盟要求。 該設計是具有完整USB-PD輸出的最小電源，比標準電源具有更高的復雜性和功能，在90V AC輸入的最壞情況下可以提供20V輸出，其滿負載效率超過93％。
圖7顯示了使用相同拓撲的兆赫設計。這實際上是由弗吉尼亞理工大學CPES研究小組于2016年完成的。這個一兆赫的有源鉗位反激設計使用DSP而不是控制IC，以證明滿載的頻率和功率密度。但在過去，它不可能成為一個行業產品，因為它在輕載情況下效率不高。 現在使用控制IC就可以做到這一點。
圖7：與65W電源相同拓撲結構的兆赫茲電源
在高頻率時要考慮的事情之一就是EMI，可能有一個大約500kHz的臨界點，你可以使用一個基于線軸的變壓器，或一個基于環形的變壓器。如果在500kHz左右使用平面變壓器，需要注意一些事情。其一是可以得到尺寸非常小的設計，這有助于提高功率密度。其二是可以獲得相同或更低成本的變壓器解決方案，因為你不必經歷制作整個繞線變壓器的額外步驟。
你可以在任何一方進行PCB設計。但在這種設計中，在平面變壓器內部，還有一些EMI屏蔽層，因此它可以阻止EMI，或者從源頭消除EMI。所以在這種情況下，我們可以得到一個非常非常小的單面EMI濾波器，它符合所有規格。
由于這是一個使用DSP的大學項目，利用新的控制器和新的半橋，我們可以再次縮小這個設計的尺寸。
圖8：縮小后的兆赫茲電源
現在，在與標準的5W或7W方糖電源相同的空間內，我們可以做到25W。這是使用的是GaN，新的磁性材料，這是日立的ML 91S器件。使用新的拓撲學，以前只是在學術界，現在已經在企業界流行起來，以及可用的控制IC，再集成驅動器和MOSSFET，可以充分利用所有這些來推動性能的進一步提升。
