TI：GaN(氮化镓)将推动电源解决方案的进步

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图2显示了GaN晶体管的基本结构。正如之前所谈到的，GaN材料位于一块Si基板上。这种设计可以使我们在充分利用GaN的同时，也可以获得Si处理的数十年发展所带来的优势。其中一个优势就是较高的带隙电压。

图2.增强型模式GaN FET的横截面

半导体区别于其它材料的主要特性是带隙能-将材料从绝缘体变为导体所需的电压跳变。GaN提供的3.2电子伏特(eV)的带隙能大约是Si所能提供的带隙能的3倍。理论上，更高的带隙意味着较高温度下的更佳性能，其原因是在物质变为导电前可耐受更多的热量。今后，这一特性有可能提升汽车、工业和其它高温环境中的GaN性能。

SMPS设计中的GaN学习曲线

尽管GaN优势众多，这项技术才刚刚开始在电源设计中找到用武之地。之前LED和无线应用中的GaN让人们看到了将这项技术用于电源应用的希望。但是，要把GaN用在功率FET中曾经需要重大的工艺和器件开发，而这些开发已经延缓了相关产品的发展。此外，全新FET与之前使用的Si材料器件间的不同使得IC供应商和系统设计人员不得不小心前行，逐步解决设计难题。传统GaN器件通常处于接通或耗尽模式，而Si MOSFET是一般情况下处于关闭状态的增强模式器件。为了提供针对Si MOSFET的直接替代器件，GaN FET开关供应商或者重新设计他们的产品，使其可在在增强模式运行，或者使用另外的开关与其串联，以提供正常的关闭功能。

用GaN FET替代Si MOSFET只是重新设计的开始。GaN晶体管的高频处理能力要求开关驱动信号具备更大计时精度，而这些开关对于封装、互连和外部源的寄生阻抗高度敏感。可高速开闭GaN开关的集成型硅基GaN驱动器已经推动着采用GaN的SMPS设计向前发展。成熟的Si处理可实现这些非常精确的、高频可调谐驱动器的开发。

例如，TI的LM5113栅极驱动器曾经被设计用来控制处于中等电压电平的高端和低端增强模式GaN电源开关。此栅极驱动器集成了优化GaN开关性能的所需组件。这一集成不但减少了电路板空间，还有助于简化设计。除了用最小延迟来实现高精度驱动计时，此器件还提供重要保护功能，以实现GaN开关的高效、精确运行。例如，自举钳位将栅源电压保持在安全工作范围内；高电流下拉提升了dv/dt抗扰度，并且避免了低端的意外激活；单独的源/灌引脚优化了接通和关闭次数，从而实现高效率和低噪声；而快速传播延迟匹配在开关处于转换中时优化了死区时间。

针对启用GaN的SMPS设计的系统级解决方案

通过与快速、精确电源管理控制组合在一起，GaN栅极驱动器极大地推动了启用GaN的SMPS设计的发展。然而，栅极驱动器本身所能优化的程度有限。在驱动器和GaN开关之间，即使是最短的走线也会可能因为设计的变化产生延迟。

未来的IC解决方案将需要控制因布局布线和无源组件的设计所导致的易变性问题，因为这对驱动器与开关的耦合很重要。由于这两类器件基于属性完全不同的材料，未来将不太可能把它们集成在单个芯片（裸片）上。然而，集成了FET、驱动器以及为开关提供支持的无源器件的单封装模块（图3）将会极大地减少SMPS的大小和组件数量。物理尺寸的减少也将意味着系统制造成本的降低，以及基于GaN设计的高效率。

图3.集成GaN开关栅极驱动器模块。

降低设计复杂度与缩小解决方案尺寸同样重要。一个驱动器开关模块将芯片间的连接线减小到尽可能短的长度，从而最大限度地缩短了延迟时间，并减少了那些使开关脉冲输出失真的寄生阻抗。一款设计良好的模块将大大减少多芯片设计的寄生因子，其中的某些因子会减少一个数量级，甚至更多。

提供系统级解决方案的另外一个重要因素是控制器-稳压器，这款器件必须在GaN支持的高频率下运行，必须实时地对输出电压的变化做出响应。其时间分辨率也必须符合精确脉宽要求，以最大限度地减小死区时间内的传导损耗。幸运的是，现有的数字电源控制器可以满足这些要求，从而提供可被用于系统其它位置的额外性能和I/O功能。TI提供数字电源控制方面的全面专业知识，这些知识与公司的电源技术一起，提供针对GaN稳压和受控开关的系统级解决方案。

另外还需要针对基于GaN设计的磁性元件，因为目前磁性元件仍然在硅材料所实现的频率下工作。TI与电源制造商和GaN研究机构通力协作，不断地敦促磁性元件供应商提供这些组件，但是这项工作在很大程度上取决于市场的需求。随着基于GaN的电源组件不断上市，并且供应量在不断的增加，磁性元件供应商将会收到客户的大量请求，要求他们引入支持这项技术的组件。一旦条件成熟，业界就能够在很多电源应用中充分利用GaN所带来的优势。

针对未来需求的GaN创