作者：电子创新网张国斌
近日，USB-IF协会公布了全新USB-C 240W PD标准，在这个新标准下，充电器不但可以为高性能笔记本或其他设备提供更高电力，也可以给其他便携产品如手机、平板、VR眼镜等充电，甚至可以给大型显示器，打印机充电！这让我们看到了充电器一统江湖的曙光，未来携带一款充电器行走江湖不再是梦想了！
不过，大功率充电，不但需要功率大，更需要更小的外形尺寸，这样才更方便，目前，第三代半导体氮化镓（GaN）的功率开关凭借出色的效率及高速切换频率已经在消费级充电器上获得使用，不过，氮化镓功率开关在应用上也需要克服一系列挑战，为帮助业者克服氮化镓应用挑战，实现更大功率充电器设计，近日，英飞凌发布了集成功率级（IPS）产品系列，它适用于充电器、适配器以及其他开关电源（SMPS）等应用，助力客户把握充电器市场发展机遇，缩短产品上市时间并建立竞争优势。
“英飞凌和赛普拉斯合并后，可以给充电器提供完整的方案。我们知道英飞凌是电源行业的领头羊，赛普拉斯在USB IC里面也一直都是引领这个行业，它在过去已经发布了27亿片控制器，借助两家公司的强强联合，可以给我们的客户提供一个完整的满足多个市场的方案，如功率级、原边、副边，还有控制器、协议、高压硅MOS、低压硅MOS、氮化镓等，来满足我们的大功率、小型化、统一性、通用性、成本优化的方案。 ” 在5月25日英飞凌新品发布媒体沟通会上，英飞凌电源与传感系统事业部大中华区副总裁 陈志豪指出，“英飞凌的氮化镓在2018年就有客户在量产使用了，氮化镓的应用是一个趋势，英飞凌希望通过高可靠性和集成方案，能让更多客户使用，这也是我们今天的重点之一，因为我们看到目前很多客户在做高功率高密度设计时遇到发热、可靠性等挑战。未来大功率充电还会拓展到更多领域。”
英飞凌电源与传感系统事业部应用市场经理卢柱强分析了充电器设计趋势并详细介绍了英飞凌CoolGaN™ IPS 系列产品的特点以及方案优势。
“目前充电器设计有四大趋势，一是大功率--随着电池容量增加以及快速充电用户体验的要求充电器的高峰值功率能力至关重要，大家追求在短时间内充到一定比例的电量，来满足大家短时、快速充电的需求，从而避免电量焦虑的一个很有用的办法。二是小尺寸--充电器功率大幅度增加，而体积则是越小越好，因而需要追求更高的功率密度。三是通用性--一个充电器可以给更多设备充电，如手机、笔记本、游戏机、蓝牙耳机等。通用性也将会是在充电器里面一个很强的诉求。”他指出，“四是低成本--消费市场是成本敏感的市场，充电器需要不断降低成本。消费市场虽然东西好，但成本太高，大家也不会接受，所以我们在满足技术要求的同时，也希望在成本上达到一个优化，在大家可以接受的范围内。”
他表示从英飞凌的角度来看，作为一家领先的功率半导体公司，英飞凌会为客户提供满足四点趋势的方案。
上图是英飞凌目前已能够提供从18W到100W整套系列、覆盖各个功率段的方案。“如有想追求高性价比的，我们有PAG1的方案，这套方案是来自赛普拉斯的研发团队提供的，它能满足大家对低成本高性价比的方案诉求，我们的高功率密度方案，是现在市场上从控制器层面达到功率密度比较高的方案，也就是混合反激式架构，也叫做非对称半桥。这个架构能达到的功率密度，我们在板端一个65W的能达到35W/立方英寸，而1个100W的PFC+混合反激式拓扑架构大概是25.4W/立方英寸的水准。”他指出，“我们这样的功率密度在市场上处于领先地位，如果优化拓扑架构，功率密度还有提升的可能，目前这个是搭配硅器件来做的测试，现在我们也在基于GaN的方式做一些优化。”
他表示上述两者之间英飞凌还有一个折中方案，也就是ZVS软开关方案，这是市场上在量产的方案，它的成本和功率密度介于两者之间，设计比较成熟，有现成的参考设计。
在充电器设计方面，功率器件的功率开关管也决定了方案的性能以及整体竞争力，这就需要性能出众的MOS管。而英飞凌的MOS管一直引领功率半导体市场。
“英飞凌有一个CoolMOS系列，这就是英飞凌的高压MOS品牌，我们在1998年，在西门子时代，第一个将超级结技术变成产品推向市场的，2001年的C3系列奠定了英飞凌MOS管在电源行业的领导地位，从2003年英飞凌就开始引领整个功率半导体市场，我们一直是市场第一位，并且和第二名的差距越来越大。”他自豪地表示，“每隔一小段时间，我们会针对不同的细分应用，或客户的痛点，或是结合新的产品方向，会推出新的一代系列产品。早在2018年，英飞凌的CoolGaN产品已经在工业类通信类客户应用。现在到了2021年，我们的CoolGaN IPS也上市了。IPS的全名是集成功率级，就是在GaN开关管的基础上把Drive IC集成在同一个封装里。”
他补充说除了高压MOS管，英飞凌还有一个低压系列，叫OptiMOS，现在第五代已经全面在批量发货，有一部分已经切入到第六代，在每代产品的变更和迭代创新过程中，与内阻和开关相关的指标参数都有大概25%的优化。在充电器的应用方面，英飞凌有一个OptiMOS PD系列，是专门为充电器应用而开发和定义的产品。
“英飞凌在整个充电器行业里面，我们通过方案、高压MOS、低压MOS，来给大家提供高功率密度的产品和方案。”他总结说，“这里英飞凌的MOS管的市场表现，2014年到2015年有一个大的飞跃，是因为收购了IR，我们在功率器件这一块的专注、投入，我们的产品性能得到了客户和市场的认可。”他总结说。
他表示第三代WBG（宽禁带）半导体也是英飞凌重点发展方向。关于碳化硅、氮化镓和硅MOS应用区隔，他指出硅器件主要服务的范围是几百K到10兆瓦功率级别，如果是更高频率更大功率应用则是碳化硅的应用领域，如果充电器在100K、1兆赫兹中小功率范围，则是氮化镓的覆盖范围。
他表示氮化镓器件的一个最大好处是减少开关损耗，尤其是高频开关应用，因为这个指标主要跟导通电阻RDS（on）和Qos相关。氮化镓的RDS（on）是硅器件的6%， 可以减少驱动损耗尤其是高频、轻载的场合。
“不过氮化镓有个缺点，就是频率越高、震荡越大，越容易损坏，因此我们想到把驱动IC和开关器件集中起来，放到一个封装里面，以减少外部的干扰，提高可靠性，同时也更易于给工程师做设计。”他指出，“当然，由于寄生参数减少，也会有利于频率提高，有可以让外围器件数量更少，PCB的面积也会减少。所有IPS集成方案一方面利用了氮化镓的高频特性，另一方面又可以避免高频下与驱动之间的距离不可控，产生的一些可靠性和设计难度的问题。我们现在提供的封装主要是8×8，后面会有更多的封装给客户选用。”
上图是CoolGaN™ IPS 参考设计，他表示双路方案是对称的，有是无磁芯变压器，耐压很高这是英飞凌的专利技术，此外，他表示开关频率提高了之后，尖锋或者是dv/dt会是一个很大挑战，而英飞凌集成Driver后依然留了一部分的便利性给工程师，“我们会把门极驱动和Driver输出的驱动信号之间拉出来，让工程师根据他的实际线路来做配置，根据具体的设计来进行优化。”他特别指出，“再一个就是在输入端，它会兼容现在市面上常见的数字控制信号3.3v电平输入。”
英飞凌集成功率级（IPS）产品系列介绍
据介绍，最新发布的英飞凌 600 V CoolGaN 半桥式 IPS IGI60F1414A1L适合低功率至中功率范围、小型轻量化的设计应用。外观为8x8 QFN-28封装型式，针对散热效能进行强化，可为系统提供极高的功率密度。此产品包含两个140 mΩ / 600 V CoolGaN 增强型（e-mode）HEMT 开关以及英飞凌 EiceDRIVER™系列中的电气隔离专用高低侧栅极驱动器。
隔离栅极驱动器拥有两个数字 PWM 输入，让 IGI60F1414A1L 更易于控制。为了达到缩短开发时间、减少系统物料清单项目和降低总成本等目标，利用集成隔离功能、明确分隔数字和电源接地以及简化PCB配置等，皆是不可或缺的要素。栅极驱动器采用英飞凌的单芯片无磁芯变压器（CT）技术，将输入与输出有效隔离。即便在电压上升或下降速率超过 150 V/ns 的超快速切换瞬时下，仍可确保高速特性和杰出的稳定性。
据悉，IGI60F1414A1L的切换特性可以简易地根据不同的应用借由一些栅极路径的被动元件诸如阻容器件实现。例如，此特性可使电流或电压速率优化，以降低电磁干扰（EMI）效应、稳态栅极电流调整和负栅极电压驱动，在硬切换开关应用中稳定运行。
此外，系统级封装集成和栅极驱动器具备的高精度和稳定的传输延迟，可让IGI60F1414A1L提供最低的系统死区时间。这将有助于系统效率极大化，使充电器和适配器解决方案的功率密度提升至更高水平。
