BiGaN開關(guān)在廣泛電源管理中的應(yīng)用

保護(hù)USB端口、為來自不同源的設(shè)備切換電路、以及高側(cè)負(fù)載開關(guān)免受浪涌影響，都依賴于雙向電壓阻斷和電流導(dǎo)通。到目前為止，設(shè)計(jì)人員只能使用兩個(gè)N型MOSFET以背靠背的方式連接在共同源極配置中來實(shí)現(xiàn)這一目的。這種方法涉及兩個(gè)組件，并因?qū)娮?RDS(on))、安全工作區(qū)(SOA)及其他特性而受到限制(見圖1)。雙向氮化鎵(BiGaN)開關(guān)是一種創(chuàng)新的解決方案，能夠降低功耗并大幅縮小占用空間。

由于其垂直結(jié)構(gòu)，MOSFET在集成方面面臨重大挑戰(zhàn)。在單個(gè)芯片上集成兩個(gè)FET，使其在成本、RDS(on)及電壓值上適應(yīng)大約30V及以上的設(shè)備是非常困難的。相比之下，制造單片雙向GaN開關(guān)則相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)镚aN高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HEMT)的側(cè)面結(jié)構(gòu)和缺乏寄生二極管。

更低的泄漏和空間需求

在智能手機(jī)的電池管理系統(tǒng)中使用過壓保護(hù)(OVP)開關(guān)旨在限制總損耗，同時(shí)盡可能保持小的占用面積。在這個(gè)特定應(yīng)用中，電路斷路器能夠在不需要頻繁切換兩種狀態(tài)的情況下，阻擋導(dǎo)通電壓或電流。因此，門極充電不會(huì)導(dǎo)致顯著的開關(guān)損耗。總損耗基本上僅由導(dǎo)通損耗決定，因此也決定了設(shè)備的總導(dǎo)通電阻。

傳統(tǒng)上，OVP功能是通過背靠背連接的離散MOSFET實(shí)現(xiàn)的。新型的BiGaN器件技術(shù)比通常的單個(gè)GaN HEMT略大。這種設(shè)計(jì)顯著降低了導(dǎo)通電阻，并提供了比使用兩個(gè)離散器件在雙向開關(guān)配置中更緊湊的解決方案。

在傳統(tǒng)MOSFET中，RDS(on)是設(shè)備完全開啟時(shí)漏極與源極之間的電阻。而BiGaN器件對(duì)應(yīng)的值是RDD(on)，即設(shè)備完全開啟時(shí)兩個(gè)漏極之間的電阻。封裝會(huì)對(duì)導(dǎo)通電阻產(chǎn)生顯著影響。BiGaN器件的橫向結(jié)構(gòu)提供了最小的寄生電阻，幫助降低導(dǎo)通損耗和熱耗散。其緊湊性也確保了出色的“導(dǎo)通電阻×面積”(Ron*A)性能，這是系統(tǒng)小型化的重要因素。最后，單個(gè)BiGaN器件取代了兩個(gè)MOSFET，從而顯著減少了占用空間并簡(jiǎn)化了材料清單。

評(píng)估BiGaN器件的第一個(gè)選項(xiàng)是保持現(xiàn)有面積和占用空間，這顯著降低了導(dǎo)通電阻值，從而限制了充電過程中溫度的升高。另一方面，BiGaN在保持良好導(dǎo)通電阻和因此良好效率的同時(shí)，顯著減少了OVP功能的占用面積。圖2突出了使用BiGaN器件調(diào)節(jié)智能手機(jī)電池功率所獲得的結(jié)果。

安全工作區(qū)(SOA)與分散性

安全工作區(qū)(SOA)是負(fù)載開關(guān)應(yīng)用中的一個(gè)重要元素。該參數(shù)規(guī)定了允許設(shè)備在不受損壞或性能降低的情況下運(yùn)行的電壓和電流組合。限制SOA的因素包括Ron值以及某些封裝和熱特性。由于閾值電壓(Vth)的負(fù)溫度系數(shù)，改善硅MOSFET的SOA變得復(fù)雜。由于GaN器件的VTH值對(duì)溫度的變化較小，BiGaN技術(shù)即使在高溫下也能保持更好的SOA性能。

在使用雙向電壓阻斷的應(yīng)用中，另一個(gè)重要因素是門極泄漏。硅MOSFET擁有優(yōu)良的門極泄漏性能。在這些器件中，門極通過門介質(zhì)(氧化物)與通道絕緣，導(dǎo)致在25°C時(shí)泄漏電流低于μA。隨著溫度升高，硅MOSFET的Vth值下降，而泄漏電流增加。

BiGaN器件具有獨(dú)特的門極結(jié)構(gòu)，可以描述為兩個(gè)二極管背靠背連接。沒有適當(dāng)?shù)目刂?，BiGaN器件的門極泄漏可能比硅MOSFET更高。這一需求對(duì)于在智能手機(jī)中實(shí)施解決方案至關(guān)重要。

BiGaN器件的控制

用于硅背靠背MOSFET的電流驅(qū)動(dòng)器也可用于BiGaN技術(shù)，前提是驅(qū)動(dòng)電壓為5V。在智能手機(jī)的情況下，大多數(shù)充電IC與具備5V門驅(qū)動(dòng)的HEMT GaN晶體管兼容。

要開啟BiGaN器件，門極電壓必須高于Drain1或Drain2至少Vth(約1.7V)。要關(guān)閉它并阻止電流在任一方向流動(dòng)，門極與漏極之間的電壓(VGD1和VGD2)必須低于Vth，或者門極接地。BiGaN可以通過5V應(yīng)用中的電荷泵驅(qū)動(dòng)(見圖3)。當(dāng)EN為低時(shí)，門極電壓為零，BiGaN將處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)EN為高時(shí)，門極電壓將被泵送至VIN + 5V，BiGaN將開啟，VOUT將等于VIN。

帶有5V門驅(qū)動(dòng)的IC通常被限制在智能手機(jī)應(yīng)用中使用。這些應(yīng)用使用約10V的驅(qū)動(dòng)器，旨在從硅MOSFET中獲得盡可能低的RDS(on)值。這些驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓高于最大門極額定值，因此GaN HEMT不能直接由其驅(qū)動(dòng)。在這些應(yīng)用中，可以使用帶有齊納二極管(D1和D2)的終端電路將VGD連接至低于6V的電壓(見圖4)。為了實(shí)現(xiàn)漏極到門極的阻斷，二極管D4和D5的擊穿電壓大于40V。

結(jié)論

BiGaN器件的發(fā)展推動(dòng)了為智能手機(jī)等不同電源設(shè)備的開關(guān)電路、高側(cè)負(fù)載開關(guān)、USB端口的浪涌保護(hù)及類似應(yīng)用提升性能的可能性，這得益于高性能、低成本的GaN-on-Si器件的可用性。

如所示，BiGaN技術(shù)可靠且易于使用。在智能手機(jī)中，BiGaN能夠支持快速充電，相比于硅MOSFET的背靠背解決方案，限制了溫度的升高。此外，由于BiGaN解決方案的緊湊性，調(diào)節(jié)電池充電和放電電流的裝置可以放置在設(shè)備中，而不是充電器中。通過將這一功能移出充電器，可以制造出更加緊湊的充電器。BiGaN這一創(chuàng)新技術(shù)為設(shè)計(jì)的新范式提供了可能。