如何打造“不一樣”的電源管理器件？
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在半導(dǎo)體領(lǐng)域，電源管理是一個很“卷”的市場，這是不爭的事實。一方面，眾多半導(dǎo)體廠商都在追求更高的效率、更緊湊的封裝、更高的能量密度之路上狂奔，力求打造出更為“極致”的產(chǎn)品；而另一方面，傳統(tǒng)硅（Si）基器件，已經(jīng)越來越接近性能的天花板，從其身上可以榨取的附加值也越來越少。
本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202409/462821.htm在這樣的大背景下，想要打造出具有差異化優(yōu)勢的、與眾不同的電源管理器件，難度可想而知。不過，成功實現(xiàn)這樣的目標(biāo)，也并非無跡可尋，一般來講有兩個可選的路徑：
尋找新的替代技術(shù)，實現(xiàn)器件性能的迭代升級。就電源管理領(lǐng)域而言，特別是在中高功率的應(yīng)用中，第三代寬禁帶半導(dǎo)體（如SiC和GaN）器件的開發(fā)和應(yīng)用日趨火熱，就是這個原因。各個廠商都想搶先在這個領(lǐng)域有所建樹，利用性能上的代差優(yōu)勢，從傳統(tǒng)硅基器件的“紅?！敝忻摲f而出。
針對特定應(yīng)用的優(yōu)化，在某個細(xì)分領(lǐng)域確立優(yōu)勢。通過精準(zhǔn)的產(chǎn)品定位，以及在性能上的精益求精，在依然龐大的硅基電源管理器件市場，這是一個重要的競爭策略。
對于上面兩條路徑，大家都心知肚明，可在現(xiàn)實的市場競爭中，誰能夠走得通、走得好，則十分考驗半導(dǎo)體廠商的市場洞察力和技術(shù)實力。在“打造差異化的電源管理產(chǎn)品”方面，Nexperia的表現(xiàn)就非常出色。他們是如何做到的？本文將帶著大家做一番深入地探究。
向SiC技術(shù)升級
如前文所述，推動新一代的寬禁帶半導(dǎo)體器件的開發(fā)，是功率半導(dǎo)體廠商確立差異化優(yōu)勢的關(guān)鍵著力點。這一點，在SiC器件的研發(fā)和應(yīng)用上表現(xiàn)得尤為突出。 與傳統(tǒng)的如Si材料相比，SiC具有全面的性能優(yōu)勢，如更寬的禁帶（能隙）、更高的電場強度、更高的熱導(dǎo)率等（如圖1）。在諸多優(yōu)勢的加持下，SiC器件的性能提升也是全方位的： 在相同額定電壓下，SiC的介電擊穿場強比Si基器件高10倍，且漂移層也更薄。因此，SiC器件的電阻率更低，熱傳導(dǎo)性能更優(yōu)，與同級別額定電壓的Si器件相比，芯片尺寸也可以做得更小。 SiC的熱導(dǎo)率大約是Si基器件的3.5倍，這意味著單位芯片面積耗散的功率更多，熱性能更佳。 SiC器件的工作溫度可以高達(dá)Si基器件的兩倍，這可為SiC器件帶來額外的可靠性裕量，在遇到瞬態(tài)熱沖擊時表現(xiàn)出更優(yōu)的性能。 由于芯片尺寸更小，在特定電流和額定電壓下，SiC器件固有的電容和相關(guān)電荷都會更低，加之SiC具有更高的電子飽和速度，因此SiC器件可實現(xiàn)比Si基器件更快的開關(guān)速度和更低的損耗。
圖1：Si與4H-SiC材料的特性比較 （圖源：Nexperia）
正是看到了SiC的巨大潛力，涌入這條賽道的半導(dǎo)體廠商也越來越多，相應(yīng)的競爭也越來越激烈。這也就要求半導(dǎo)體廠商所開發(fā)的SiC器件，必須要有異于他人的“絕活”，才能立于不敗之地。
深度優(yōu)化的SiC肖特基二極管
在進(jìn)入SiC這個新賽道時，大多數(shù)半導(dǎo)體廠商都會選擇將SiC肖特基二極管作為切入點。這是因為SiC肖特基二極管結(jié)構(gòu)和工藝相對簡單，應(yīng)用廣泛，很適合作為SiC技術(shù)商用的敲門磚。 與類似的Si基功率二極管相比，SiC二極管中不會發(fā)生少數(shù)載流子積聚的現(xiàn)象，因此效率非常高，相應(yīng)的散熱要求較低，有助于實現(xiàn)更高的功率密度。同時，由于開關(guān)損耗低，SiC二極管可實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，耗散的熱量也較小，因此只需使用較簡單的EMI濾波組件和更小巧的磁性組件，十分有利于在系統(tǒng)成本和外形上的優(yōu)化。此外，SiC二極管還可耐受更高溫度，具有更高的耐用性和可靠性。 可以說，相對于傳統(tǒng)的Si功率二極管，SiC肖特基二極管在很多性能方面都具有“碾壓式”的優(yōu)勢，不過這并不意味著其已經(jīng)盡善盡美，比如與Si快速恢復(fù)二極管相比，SiC二極管的一些特性仍有待提高，這也為相關(guān)產(chǎn)品的差異化提供了空間。 在打造差異化的SiC二極管方面，Nexperia從設(shè)計和制造工藝上雙管齊下，將器件的性能提升到了一個新高度。 具體來講，在SiC二極管的設(shè)計上，Nexperia將肖特基二極管和P-N結(jié)二極管有效地并聯(lián)在一起，形成了一種被稱為“合并PiN肖特基（MPS）”的混合器件結(jié)構(gòu)，由此帶來的差異化優(yōu)勢是多方面的。
圖2：獨特的MPS混合二極管結(jié)構(gòu)
（圖源：Nexperia）
減少漏電流
大家知道，金屬-半導(dǎo)體接面的缺陷是SiC肖特基二極管漏電流的主要成因，雖然采用更厚的漂移層可減小漏電流，但也會提高電阻和熱阻，不利于電源應(yīng)用。而MPS混合二極管結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)肖特基結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)內(nèi)嵌入P摻雜區(qū)，與肖特基陽極的金屬構(gòu)成P型歐姆接觸，并與輕度摻雜SiC漂移或外延層構(gòu)成P-N結(jié)。在反向偏壓下，P阱將“驅(qū)使”極高場強的通用區(qū)域向下移動到幾乎沒有缺陷的漂移層，遠(yuǎn)離有缺陷的金屬勢壘區(qū)域，從而減小總漏電流（如圖3所示）。同時，正向壓降會抵消漏電流和浪涌電流，因此在漏電流和漂移層厚度相同的情況下，MPS結(jié)構(gòu)器件可在更高的擊穿電壓下運行。
圖3：在SiC肖特基二極管中添加P阱可使反向偏壓下的極高場強區(qū)域遠(yuǎn)離陽極金屬區(qū)域，從而減小總漏電流（圖源：Nexperia）
提高浪涌電流穩(wěn)健性
SiC器件的浪涌電流性能與其單極性和相對較高的漂移層電阻相關(guān)。正常運行時，MPS二極管的肖特基器件傳導(dǎo)幾乎所有電流，如同“純”肖特基二極管那樣有效運行，同時在開關(guān)期間提供相同的優(yōu)勢；而在高瞬態(tài)浪涌電流事件期間，通過MPS二極管的電壓會超過內(nèi)置P-N結(jié)二極管的開啟電壓，從而開始以更低的差分電阻傳導(dǎo)。這樣可以轉(zhuǎn)移電流，同時限制耗散的功率，并緩解MPS二極管的熱應(yīng)力。而如果使用傳統(tǒng)的肖特基二極管，應(yīng)對同樣級別的瞬時過流事件，則不得不選擇尺寸超規(guī)格的器件。
改善反向恢復(fù)特性
反向恢復(fù)電荷是造成Si快速恢復(fù)二極管功率損耗的一個主要原因。而對于SiC二極管來說，只有多數(shù)載流子才會影響二極管的總電流，這意味著SiC二極管能夠表現(xiàn)出幾乎恒定的行為，幾乎不會有Si快速恢復(fù)二極管那樣的非線性性能。這使得開發(fā)者更容易預(yù)測出SiC器件的行為，而無需考慮各種環(huán)境溫度和負(fù)載條件，為設(shè)計提供更大的便利性。
除了優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)，在工藝上，Nexperia通過打造創(chuàng)新的“薄型SiC”二極管結(jié)構(gòu)，大大減少了芯片厚度，使得MPS二極管性能進(jìn)一步提升。
從MPS二極管的結(jié)構(gòu)來看，未經(jīng)過處理的SiC襯底為N摻雜襯底，并會生長出SiC外延層，以形成漂移區(qū)。襯底初始的厚度可達(dá)500μm，但在形成外延后，會給背面金屬的電流和熱流路徑增加額外的電阻和熱阻，使得給定電流下的正向壓降和結(jié)溫變得更高。
對此，Nexperia的解決方案是通過特殊的工序，將襯底的底面“磨薄”，并保持厚度的均勻性——如果厚度不均勻，可能會降低二極管的性能，甚至導(dǎo)致現(xiàn)場應(yīng)用中的器件失效。通過對材料質(zhì)量和研磨精度的把控，Nexperia的“薄型SiC”技術(shù)可將襯底厚度減少到原來的三分之一。
圖4：薄型SiC工藝可顯著提高二極管的電氣性能和熱性能（圖源：Nexperia）
Nexperia的PSC1065K SiC肖特基二極管，就是基于MPS架構(gòu)、采用“薄型SiC”工藝打造的器件。該SiC二極管采用R2P TO-220-2（SOT8021）通孔大功率塑料封裝，具有與溫度無關(guān)的電容關(guān)斷、零恢復(fù)開關(guān)特性，以及出色的品質(zhì)因數(shù) (QC x VF)，適用于各類超高性能、低損耗、高效電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用。
圖5：PSC1065K SiC肖特基二極管
（圖源：Nexperia）
與眾不同的SiC MOSFET
在電源管理領(lǐng)域，除了功率二極管，SiC MOSFET也是各個廠商角逐的一個主賽場。這是因為，憑借高耐壓、低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)頻率、高效率、小型化等優(yōu)勢，SiC MOSFET有望在諸多應(yīng)用中替代原有的主流Si基器件（如MOSFET和IGBT），應(yīng)用范圍廣，市場前景非?？捎^。 隨著技術(shù)和市場的發(fā)展，今天SiC MOSFET領(lǐng)域的競爭也愈發(fā)激烈。想要從中勝出，參與競爭的SiC MOSFET器件，必須能夠提供更為獨特的功能，為用戶帶來其他競品無法替代的價值。 在這個領(lǐng)域，Nexperia的招牌產(chǎn)品是其推出的1200V SiC MOSFET，其充分發(fā)揮出了SiC器件的優(yōu)勢，具有出色的溫度穩(wěn)定性和很高的開關(guān)速度，非常適合于大功率和高壓工業(yè)應(yīng)用。
圖6：Nexperia的1200V SiC MOSFET （圖源：Nexperia）
值得注意的是，在此基礎(chǔ)上，這些SiC MOSFET產(chǎn)品體現(xiàn)出的四大差異化優(yōu)勢，更是錦上添花，讓人過目不忘。
優(yōu)勢一：超低的RDS(ON)漂
對于典型的SiC器件，隨著結(jié)溫的升高，RDS(ON)在整個工作溫度范圍內(nèi)通常會增加到1.6至2倍。而Nexperia的1200V SiC MOSFET，其RDS(ON)溫度漂移僅為1.4倍。這意味著，與競品相比，這種出色的溫度穩(wěn)定性可有效減少高溫下導(dǎo)通損耗，這一優(yōu)勢特性對于電機驅(qū)動、充電基礎(chǔ)設(shè)施、太陽能光伏、UPS等需要較高工作溫度的應(yīng)用，大有裨益。
圖7：Nexperia的SiC MOSFET具有超低RDS(ON)漂移（圖源：Nexperia）
優(yōu)勢二：更低的閾值電壓容差
MOSFET的閾值電壓(Vth)是器件安全工作的一個重要指標(biāo)，同時閾值電壓容差也是一個不容忽視的相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)，該參數(shù)表示指定的閾值電壓的極小值和極大值之間的變化。低閾值電壓容差，意味著可以在多個并聯(lián)的SiC MOSFET之間實現(xiàn)高度對稱的開關(guān)行為——這種并聯(lián)設(shè)計是許多電源應(yīng)用中的常見布局形式——通過“平衡的并聯(lián)”減少單個器件的應(yīng)力，進(jìn)而增強電路性能并延長產(chǎn)品壽命。與類似的競品相比，Nexperia的SiC MOSFET的閾值電壓變化僅為1.2V，表現(xiàn)十分出眾。
圖8：Nexperia的SiC MOSFET具有更低的閾值電壓容差，有助于實現(xiàn)器件的平衡并聯(lián)（圖源：Nexperia）
優(yōu)勢三：優(yōu)異的柵極電荷參數(shù)
對于SiC MOSFET來說，低柵極電荷 (QG) 可以降低開關(guān)操作期間的柵極驅(qū)動損耗，還有助于降低功耗和對柵極驅(qū)動器的其他要求。此外，柵漏電荷 (QGD) 和柵源電荷 (QGS) 之間的比率，也是考量器件穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，如果QGD低于QGS，SiC MOSFET可提供更穩(wěn)定的性能。Nexperia的1200V SiC MOSFET不僅具有低QG，而且還具有出色的QGD與QGS電荷比，這確保了其能夠提供更低功耗、更出色的穩(wěn)健性和更安全的開關(guān)性能。
圖9：Nexperia的SiC MOSFET具有較低的柵極電荷和電荷比（圖源：Nexperia）
優(yōu)勢四：超低正向壓降
SiC MOSFET通常用于具有高邊和低邊MOSFET的對稱橋配置，即一個器件導(dǎo)通時另一個器件則關(guān)斷。為防止發(fā)生潛在的破壞性短路，需要一定的“死區(qū)時間”（即兩個器件都處于關(guān)斷狀態(tài)的短暫持續(xù)時間）。但即使在死區(qū)時間內(nèi)，電流也會繼續(xù)流過MOSFET的體二極管，并且產(chǎn)生的壓降高于器件通道導(dǎo)通時的壓降。也就是說，死區(qū)時間間隔內(nèi)升高的壓降會帶來更高的功率損耗。Nexperia的1200V SiC MOSFET具有出色的體二極管穩(wěn)健性，相較其他同類產(chǎn)品，具有更低的正向壓降。因此，與其他具有相同工作條件和死區(qū)時間的器件相比，Nexperia的SiC MOSFET損耗要低得多。
圖10：Nexperia的SiC MOSFET具有更低的正向壓降（圖源：Nexperia）
總之，SiC MOSFET相對于Si基器件的優(yōu)勢已經(jīng)眾所周知，但隨著越來越多SiC MOSFET產(chǎn)品的面市，想要在眾多競品中脫穎而出，也非易事。而Nexperia的SiC MOSFET器件，憑借超低RDS(on)漂移、超低閾值電壓差、低柵極電荷和出色的柵極電荷比，以及超低正向壓降等優(yōu)勢，找到了贏得差異化競爭的“密碼”。 緊湊而高效的LCD偏壓電源IC 如果說上文提到的兩款Nexperia的SiC產(chǎn)品，是在技術(shù)迭代升級中尋求突破，那么下面這款產(chǎn)品則是選擇了另一條差異化的路徑，即“通過面向應(yīng)用的優(yōu)化，在細(xì)分市場上確立競爭優(yōu)勢”。 隨著電子產(chǎn)品的智能化，使用顯示屏的產(chǎn)品越來越多，以提供更佳的人機交互體驗，這也推動了對于屏幕偏壓驅(qū)動芯片需求的增長。針對這一市場需求，Nexperia推出了新一代的兩路輸出LCD偏壓電源系列產(chǎn)品——NEX10000和NEX10001電源IC，它們集成了LDO穩(wěn)壓器、集成式升壓轉(zhuǎn)換器和負(fù)電荷泵，分別可以提供80mA和高達(dá)220mA的兩路輸出電流，提供穩(wěn)定的屏幕顯示。 圖11：NEX10000/1 LCD偏壓電源IC （圖源：Nexperia） 為了獲得差異化的優(yōu)勢，Nexperia的這兩款I(lǐng)C在兩個方面做了特別的優(yōu)化：一是小型化，二是高效率。 在小型化方面，這兩款器件均可用I2C編程兩路電壓輸出，僅需一個電感器即可為兩個輸出端提供支持，并采用內(nèi)部補償，因此有助于減小PCB面積。此外，NEX10000/1采用緊湊的WLCSP15封裝，外形尺寸僅為1.16 × 1.96 × 0.62mm，非常適合于在空間受限的設(shè)計中應(yīng)用。 在低功耗方面，NEX10000/1內(nèi)置了升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器能夠根據(jù)負(fù)載電流，在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）和脈沖頻率調(diào)制模式（PFM）之間切換，從而顯著提升效率，降低器件的功耗，特別有利于電池供電設(shè)備的續(xù)航。 此外，這兩款器件都支持2.7V至5V的輸入電壓范圍，并具有出色的輸入和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，這些特性可減少輸出紋波，從而為LCD提供更穩(wěn)定的圖像，更大限度地延長LCD的工作壽命，是智能手機、平板電腦、VR頭顯和LCD模塊等產(chǎn)品的理想選擇。 圖12：NEX10000/1主要特性和典型應(yīng)用 （圖源：Nexperia） 本文小結(jié) 綜上所述，打造具有差異化優(yōu)勢的“不一樣”的產(chǎn)品，是當(dāng)下電源管理器件市場的競爭之道。無論是借助技術(shù)升級開疆?dāng)U土，還是在成熟市場中精耕細(xì)作，都是實現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑，當(dāng)然也是檢驗元器件廠商“功力”的命題。 文章來源：貿(mào)澤電子
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