【产品】单芯片上集成多个器件的ePower™功率级IC EPC2152，可节省33%的PCB面积

时间： 2020-05-17 来源：EPC

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使用硅基氮化镓（GaN-on-Si）基板制作的集成电路投入生产已有五年多了，基于氮化镓的IC经历了各“阶段”的集成，从分立器件到单片式半桥器件、到集成驱动器的单片式功率FET、再到最近的包含功率FET、驱动器、电平转换电路、逻辑电路和保护电路的单片式功率级IC。

第一阶段的集成——单片式半桥器件

半桥是功率转换系统中最常用的结构块，半桥可用于降压转换器、升压转换器、LLC转换器、总线转换器、电机驱动器及其他转换器拓扑。因此，EPC在2014年9月推出单片式半桥器件时，就相当于迈出了将功率系统集成到一个半导体基板上的第一步。这些器件中的第一款产品，如图1（a）所示，将高侧和低侧晶体管布置在一个基板上，图1（b）是其等效电路图。该集成器件的优点是能够减小尺寸和降低成本，而且两个晶体管紧密耦合，使得寄生共源电感也减小了。该集成器件还能提高开关速度，以获得更快的开关式功率转换系统。

图1（a） EPC2100单片式半桥器件，尺寸为6 mm × 2 mm

图1（b）等效电路图

这是个好的开始，但是，使用GaN晶体管或GaN半桥器件的用户，仍需要外加驱动电路。一些公司推出的使用传统硅工艺制造的驱动IC，可以很容易与增强型GaN晶体管连接，但使用这些驱动器所增加的尺寸、成本和栅极回路寄生电感，限制了GaN在功率转换系统中的潜能。

第二阶段的集成：半桥加驱动器

2018年初，为解决外加栅极驱动器的问题，便有了在GaN晶体管上增加驱动器的器件，如图2（a）所示，图2（b）是等效电路图。在GaN中，200V功率晶体管加上极短的栅极-漏极间距，就能制作出低压晶体管。这些GaN FET加驱动器的集成电路可由简单的CMOS逻辑电路驱动，工作在多兆赫频率下，无需硅驱动IC。

2（a）集成驱动器的EPC2112单片式GaN-on-Si FET，尺寸为1.1 mm × 2.9 mm

图2（b）等效电路图

第三阶段的集成——ePower™功率级IC

2019年初，驱动功能、单片式半桥、电平转换器、同步升压电路、保护和输入逻辑电路被合并到一个硅基氮化镓基板上，如图3（a）和图3（b）所示。这个完整的ePower™功率级IC，可工作在多兆赫频率下，并由一个简单的接地参考的CMOS IC控制，只需添加少数的无源器件，就能形成一个完整的DC-DC稳压器。图4展示了该单片式功率级IC在一个48 VIN – 12 VOUT的降压转换器中、在1 MHz和2.5 MHz下的效率。

图3（a） EPC2152单片式ePower功率级IC，尺寸为3.9 mm × 2.6 mm

图3（b）等效电路图

图4 效率——输出电流图

图5展示了该功率级IC的基本横截面，其高侧和低侧功率FET都带有低压晶体管，最左边的电平转换晶体管必须具有和输出FET相同的额定电压，用于驱动器和逻辑功能的单个信号——电平器件可以具有较低的电压，因此栅极和漏极间距较小。图中没有展示电容和电阻。

图5 单片式功率级IC的横截面

ePower™功率级IC至少可代替3个分立芯片，栅极驱动器和两个FET，使设计和制造变得更简单。如图6所示，与使用分立器件相比，该器件能够节省至少33%的印刷电路板面积。该器件使设计师可以很容易发挥GaN技术的性能优势，在单芯片上集成多个器件，能使设计、布局、组装变得更容易，还能节省占板面积、提高效率。

图6 使用分立器件和ePower™功率级IC的48 V – 12 V降压转换器对比，功率级IC方案节省了33%的PCB面积

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