BiGaN开关在广泛电源管理中的应用

保护USB端口、为来自不同源的设备切换电路、以及高侧负载开关免受浪涌影响，都依赖于双向电压阻断和电流导通。到目前为止，设计人员只能使用两个N型MOSFET以背靠背的方式连接在共同源极配置中来实现这一目的。这种方法涉及两个组件，并因导通电阻(RDS(on))、安全工作区(SOA)及其他特性而受到限制(见图1)。双向氮化镓(BiGaN)开关是一种创新的解决方案，能够降低功耗并大幅缩小占用空间。

 

图1

 

由于其垂直结构，MOSFET在集成方面面临重大挑战。在单个芯片上集成两个FET，使其在成本、RDS(on)及电压值上适应大约30V及以上的设备是非常困难的。相比之下，制造单片双向GaN开关则相对简单，因为GaN高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的侧面结构和缺乏寄生二极管。

 

更低的泄漏和空间需求

 

在智能手机的电池管理系统中使用过压保护(OVP)开关旨在限制总损耗，同时尽可能保持小的占用面积。在这个特定应用中，电路断路器能够在不需要频繁切换两种状态的情况下，阻挡导通电压或电流。因此，门极充电不会导致显著的开关损耗。总损耗基本上仅由导通损耗决定，因此也决定了设备的总导通电阻。

 

传统上，OVP功能是通过背靠背连接的离散MOSFET实现的。新型的BiGaN器件技术比通常的单个GaN HEMT略大。这种设计显著降低了导通电阻，并提供了比使用两个离散器件在双向开关配置中更紧凑的解决方案。

 

在传统MOSFET中，RDS(on)是设备完全开启时漏极与源极之间的电阻。而BiGaN器件对应的值是RDD(on)，即设备完全开启时两个漏极之间的电阻。封装会对导通电阻产生显著影响。BiGaN器件的横向结构提供了最小的寄生电阻，帮助降低导通损耗和热耗散。其紧凑性也确保了出色的“导通电阻×面积”(Ron*A)性能，这是系统小型化的重要因素。最后，单个BiGaN器件取代了两个MOSFET，从而显著减少了占用空间并简化了材料清单。

图2

 

评估BiGaN器件的第一个选项是保持现有面积和占用空间，这显著降低了导通电阻值，从而限制了充电过程中温度的升高。另一方面，BiGaN在保持良好导通电阻和因此良好效率的同时，显著减少了OVP功能的占用面积。图2突出了使用BiGaN器件调节智能手机电池功率所获得的结果。

 

安全工作区(SOA)与分散性

 

安全工作区(SOA)是负载开关应用中的一个重要元素。该参数规定了允许设备在不受损坏或性能降低的情况下运行的电压和电流组合。限制SOA的因素包括Ron值以及某些封装和热特性。由于阈值电压(Vth)的负温度系数，改善硅MOSFET的SOA变得复杂。由于GaN器件的VTH值对温度的变化较小，BiGaN技术即使在高温下也能保持更好的SOA性能。

 

在使用双向电压阻断的应用中，另一个重要因素是门极泄漏。硅MOSFET拥有优良的门极泄漏性能。在这些器件中，门极通过门介质(氧化物)与通道绝缘，导致在25°C时泄漏电流低于μA。随着温度升高，硅MOSFET的Vth值下降，而泄漏电流增加。

 

BiGaN器件具有独特的门极结构，可以描述为两个二极管背靠背连接。没有适当的控制，BiGaN器件的门极泄漏可能比硅MOSFET更高。这一需求对于在智能手机中实施解决方案至关重要。

 

BiGaN器件的控制

 

用于硅背靠背MOSFET的电流驱动器也可用于BiGaN技术，前提是驱动电压为5V。在智能手机的情况下，大多数充电IC与具备5V门驱动的HEMT GaN晶体管兼容。

 

要开启BiGaN器件，门极电压必须高于Drain1或Drain2至少Vth(约1.7V)。要关闭它并阻止电流在任一方向流动，门极与漏极之间的电压(VGD1和VGD2)必须低于Vth，或者门极接地。BiGaN可以通过5V应用中的电荷泵驱动(见图3)。当EN为低时，门极电压为零，BiGaN将处于关闭状态。当EN为高时，门极电压将被泵送至VIN + 5V，BiGaN将开启，VOUT将等于VIN。

图3

 

带有5V门驱动的IC通常被限制在智能手机应用中使用。这些应用使用约10V的驱动器，旨在从硅MOSFET中获得尽可能低的RDS(on)值。这些驱动器的驱动电压高于最大门极额定值，因此GaN HEMT不能直接由其驱动。在这些应用中，可以使用带有齐纳二极管(D1和D2)的终端电路将VGD连接至低于6V的电压(见图4)。为了实现漏极到门极的阻断，二极管D4和D5的击穿电压大于40V。

图4

 

 

结论

 

BiGaN器件的发展推动了为智能手机等不同电源设备的开关电路、高侧负载开关、USB端口的浪涌保护及类似应用提升性能的可能性，这得益于高性能、低成本的GaN-on-Si器件的可用性。

 

如所示，BiGaN技术可靠且易于使用。在智能手机中，BiGaN能够支持快速充电，相比于硅MOSFET的背靠背解决方案，限制了温度的升高。此外，由于BiGaN解决方案的紧凑性，调节电池充电和放电电流的装置可以放置在设备中，而不是充电器中。通过将这一功能移出充电器，可以制造出更加紧凑的充电器。BiGaN这一创新技术为设计的新范式提供了可能。