התקני הספק GaN‏

2. בחרו את התקן GaN הנכון

השתמשו בכלים הבאים כדי לבחור את ההתקן שלכם

קראו מאמר זה כדי ללמוד מדוע לא כדאי להשתמש ב-(RDS(on‏ כדי לבחור ולהשוות התקנים בממירי הספק ממותגים.

השתמשו במחשבון תרמי GaN FET כדי לבצע סימולציה של הפתרון שלכם

לאחר שזיהיתם כמה התקנים המתאימים עבור היישום שלכם, תוכלו להעריך כיצד הם יעבדו בסביבה התרמית שלכם בעזרת מחשבון תרמי GaN FET. זה מאפשר אופטימיזציה של הפתרון התרמי לאחר קביעת ההפסדים.

שקלו אפשרויות מארז

ICs‏ ו-GaN FETs‏ של EPC מוצעים במארז בגודל-שבב (CSP) ובמארז פלסטיק שטוח Quad‏ ללא-מוליכים (PQFN‏). הבחירה בין CSP ל-PQFN תלויה בדרישות הספציפיות של היישום. CSP מתאים היטב עבור יישומים עם מגבלת-גודל וצפיפות הספק גבוהה. מארזי PQFN מציעים איזון בין ביצועים עיליים וקלות ייצור.

אמינות

אמינות המוצר היא שיקול קריטי בבחירת ההתקן הנכון.  התקני ®eGaN‏ מיוצרים בכמויות גדולות מאז מרץ 2010 והציגו אמינות גבוהה מאוד הן בבדיקות מעבדה והן ביישומי לקוחות בנפח גבוה, עם רקורד אמינות יוצא דופן בשטח.

ל-EPC יש תוכנית אמינות מקיפה בדיקה-לכשל והיא מפרסמת באופן קבוע את תוצאות המחקרים הללו.  לקבלת דוחות המהימנות העדכניים ביותר, אנא בקרו בדף משאבי האמינות.

נושאי אמינות עיקריים המכוסים:

• מודלים מבוססי-פיזיקה של אורך-חיים עבור מאמץ שער (Gate‏) ומאמץ מרזב (Drain‏)
• שטח פעולה בטוח
• חוסן קצר חשמלי
• מאמצים מכניים
• מאמצים תרמו-מכניים
• מתודולוגיה של בדיקה-לכשל לחיזוי מדויק של אורך חיי התקן ספציפי-ליישום

3. דוחפים ובקרים

בחירת דוחף או בקר GaN המתאימים היא קריטית להשגת תכנים חסונים עם ביצועים עיליים במערכות המרת הספק GaN. בפרק זה של מסגרת-העבודה לתכנון ™GaN First Time Right‏ של EPC תמצאו הדרכה מפורטת לגבי דוחפי שער תואמים, ארכיטקטורות בקרים (Buck‏, Boost‏, חצי-גשר, יישור סינכרוני) וקריטריוני בחירה כגון זמן-מת, שיהוי התפשטות והגנת שער. כל המלצה מגובה על ידי תכני ייחוס שנבדקו ונתוני יישומים עשירים כדי לעזור לכם לשלב דוחפים ובקרים הממקסמים את הנצילות, האמינות והמהירות במערכות מבוססות-GaN.

למדו כיצד להשתמש GaN FETs‏ עם בקרים ודוחפי שער המתוכננים עבור MOSFETs‏ סיליקון.

במצבים מסוימים, מתכנן עשוי לרצות להשתמש בדוחף שער או בקר גנריים. זה אפשרי לעתים קרובות (כדוגמה ממיר Buck‏ EPC9153‏) אך ישנן מספר נקודות שיש לבחון, כולל:

1. "מהדק" Bootstrap‏ צד-גבוה - עבור הולכת זרם אחורני FET צד-נמוך (מתח הולכה הפוך הוא גבוה עד V‏ 2.5‏ ויכול לטעון את קבל האתחול למעל V‏ 7‏) עבור דוחפי חצי-גשר נדחפי-ספק-כוח Bootstrap‏.
2. יש לדחוף FETs‏ eGaN‏ של EPC‏ עם מתח הפעלה של V‏ 5.0‏ עד V‏ 5.5‏ אך לא נמוך יותר מאשר V‏ 4.5‏, ומתח הפסקה של V‏ 0‏. לכן, נעילת תת-מתח (UVLO‏) של הדוחף צריכה להיבדק ומומלץ שהיא תהיה בתחום של V‏ 3.6‏ עבור השבתה ו-V‏ 4.0‏ עבור אפשור.
3. מכיוון שהתקני GaN יכולים למתג במהירות גבוהה, דוחף השער צריך להיות מסוגל לעמוד בעוצמות dv/dt גבוהות אלה; מומלצת יכולת של > V/ns‏ 100‏.
4. הזמן המת המינימלי צריך להיות נמוך מספיק כדי למזער הפסדי זמן מת, אידיאלית בתחום של ns‏ 40‏-20‏. אופטימיזציה של הזמן המת עבור נצילות מקסימלית
5. ייתכן שיהיה צורך בדיודת שוטקי קטנה וזולה במקביל ל-FET התחתון. ראו לדוגמה לוח ממיר Buck‏ EPC9153‏.

זהו מעגל משולב GaN מונוליתי שיענה על דרישות התכן שלכם.

4. סכמות ופרישה

מצאו והורידו סכמות כדי להתחיל לתכנן

EPC מפרסמת את הסכמות עבור כל לוחות ההערכה כדי לאפשר העתקה והדבקה קלים של תכנים המכילים את כל הרכיבים הקריטיים ופרישה התומכת בביצועי מיתוג אופטימליים. בחרו את לוח ההערכה הרצוי מרשימת התכנים ההולכת וגדלה שלנו ומצאו את הסכמות יחד עם מפרט החומרים (BOM‏) וקובצי Gerber‏ כדי להתחיל בתכנון שלכם.

סימבולים סכמטיים עבור GaN FETs‏

EPC משתמש בסימבול MOSFET סטנדרטי עבור GaN FETs‏ כדי להקל על המתכננים. לטרנזיסטורי GaN‏ Enhancement‐mode‏ אין דיודת גוף P-N‏ כמו ב-MOSFET הספק מסיליקון, אך הם מוליכים בכיוון אחורני בדומה לדיודה ב-MOSFET הספק. עם זאת, מכיוון שאין נשאי מיעוט המעורבים בהולכה בטרנזיסטור Enhancement-Mode GaN‏, אין מטען התאוששות אחורנית. ה-Q_RR הוא אפס, וזהו יתרון משמעותי נוסף בהשוואה ל-MOSFETs הספק.

התכן המומלץ עבור אופטימיזציה של פרישת PCB עם FETs‏ eGaN‏ (WP010‏) משתמש בשכבה הפנימית הראשונה כנתיב החזרה של חוג ההספק. נתיב חזרה זה ממוקם ישירות מתחת לחוג הספקת-הכוח של השכבה העליונה, מה שמאפשר את גודל החוג הפיזי הקטן ביותר. ניתן לממש וריאציות של תפיסה זו על ידי מיקום קבלי האפיק ליד התקן צד-גבוה, ליד התקן צד-נמוך, או בין התקני צד-נמוך וצד-גבוה, אך בכל המקרים, החוג הוא סגור בשכבה הפנימית ממש מתחת להתקנים. עיקרון דומה משמש גם עבור חוג השער, כאשר חוג שער חזרה ממוקם ישירות מתחת לנגדי ON‏ ו-OFF‏ של השער.

יתר על כן, כדי למזער את השראות המקור המשותף בין חוגי ההספק והשער, חוגים אלו מונחים בניצב זה לזה, ומעבר (Via‏) ליד פד המקור הקרוב ביותר לפד השער משמש כחיבור Kelvin‏ עבור נתיב החזרה של דוחף השער.

הנחיות עבור חיבור מקבילי יעיל של התקני GaN

עבור יישומים בהספק גבוה יותר, ייתכן שיהיה צורך למקם מספר טרנזיסטורים במקביל ולגרום להם להתנהג כהתקן יחיד. התקני GaN פועלים במקביל בצורה יוצאת דופן מכיוון ש:

• ל-(RDS(ON יש מקדם טמפרטורה חיובי, כך שבמצב ON הזרם יתאזן מעצמו בהתבסס על טמפרטורת כל התקן.
• ה-QG של GaN FET‏ נמוך בהרבה מזה של Si MOSFET‏ דומה, ולכן הדרישות וההפסדים בדוחף השער ממוזערים.
• ה-VTH של GaN FET‏ הוא יציב מאוד על פני הטמפרטורה, בהשוואה למקדם טמפרטורה שלילי חזק עבור Si MOSFET‏, דבר המאפשר שיתוף זרם טוב גם במהלך אירועי מיתוג.

עם זאת, כדי להבטיח שיתוף זרם טוב בתנאים דינמיים, חשוב גם לשים לב לפרישה:

• יש להשתמש בנגדי שער נפרדים עבור כל GaN FET‏, הממוקמים ליד ה-FETs.
• יש לשמור על כל ההשראות הפרזיטיות במערך דומות ככל האפשר עבור כל התקן מקבילי, הן עבור חוג ההספק והן עבור חוג השער.
• עבור יישומים עם ביצועים עיליים, אנו ממליצים על טכניקת פרישה של חיבור מקבילי של חצאי-גשרים במקום התקנים בודדים: חיבור מקבילי של טרנזיסטורי GaN במהירות גבוהה (AN020). דוגמה למימוש מוצגת ב-EPC90135‏: לוח הערכה מקבילי V‏ 100‏, A‏ 45‏
• עבור גישה פשוטה יותר של פרישה מקבילית עם 4 התקנים במקביל, אנו ממליצים על הטכניקה המשמשת בתכן הייחוס של דוחף מנוע EPC9186‏: ARMS‏ 150‏, אינוורטר דוחף מנוע BLDC‏ תלת-פאזי עם תחום מתחי כניסה רחב

דוגמה לפרישה מקבילית עם 4 התקנים במקביל היא EPC90135: לוח הערכה מקבילי V‏ 100‏, A‏ 45‏

שיטות עבודה מומלצות עבור תכן חתימת-שטח eGaN FET

חלקי EPC רבים מוצעים מארז בגודל-שבב ברמת פרוסת-סיליקון (WLCSP) המשתמש בפסיעה עדינה של µm‏ 400‏. משמעות הדבר היא שתכנון נכון של חתימת-השטח של ה-PCB הוא חיוני עבור הרכבה עקבית ואמינה של התקן GaN. המלצות מפורטות ניתן למצוא כאן How2AppNote008 - תכנון חתימת-השטח של PCB‏ ICs‏ FETs‏ eGaN‏, ותבניות קרקע מומלצות (מפתחי מסיכת הלחמה) וכן תכני סטנסיל המסופקים בכל גיליון נתונים. EPC מספקת גם ספריית Altium עם כל חתימות-השטח של EPC. הסרטון "תכנון חתימת-שטח - מערכת CAD‏ PCB‏ עצמאית" מנחה את הלקוחות בהסבר מפורט, ללא תלות ב-CAD, כיצד ליצור חתימות-שטח משלהם.

EPC ממליצה על שימוש בפד מסכת הלחמה מוגדרת (SMD) על פני פד מסכת הלחמה שאינה מוגדרת (NSMD) משתי סיבות:

• חתימת-שטח מוגדרת מסכת הלחמה (SMD) מניבה השראות נמוכה יותר ומשפרת את היישור במהלך Reflow‏.
• לחתימת-שטח שאינה מוגדרת על ידי מסכת הלחמה (NSMD) יש סבירות גבוהה יותר לסטיות יישור השבב במהלך Reflow‏, מה שיכול להפחית את שטח המגע האפקטיבי של הנחושת ובכך לפגוע בנקודת ההלחמה וביכולת נשיאת הזרם של ההתקן.

תכן הדפסת משי המומלץ של EPC צריך לכלול:

• 4 סימני רישום בפינות המתארים את צורת החלק.
• קווים המצוירים עם קו צר ופתוח: מלבן קו רציף המקיף את החלק, ובכך מונע מהתלחים (Flux‏) לזרום הרחק מתבנית השבב במהלך ה-Reflow‏, יכול ליצור סכר תלחים וללכוד את התלחים מתחת לחלק.
• מזהה פין אחד ייחודי.

אם ברצונכם שצוות ה-EPC יבחן את התכן שלכם לאחר השלמת הסכמות והפרישה, אנא שלחו בקשה לכתובת info@epc-co.com

5. חישוב הפסדים

סימולציה של ביצועים חשמליים עם התקני GaN

יכולת סימולציה של התקני GaN מבלי להשתמש בהם באופן מעשי היא שלב חשוב ביותר בתהליך התכנון. עבור סימולציות חשמליות מפורטות יותר, EPC משתמשת בשילוב של פונקציות מבוססות-פיזיקה ופנומנולוגיות כדי להשיג מודל SPICE‏ קומפקטי עם מאפייני סימולציה והתכנסות מקובלים, כולל השפעות טמפרטורה עבור מוליכות ופרמטרי סף. ניתן למצוא אותם בדף מודלי התקנים של EPC , בעוד שסימולציית מעגלים באמצעות מודלי התקנים של EPC מעניקה מבט מעמיק על מודלים אלה. פורמטי המודל הנתמכים כוללים את P-SPICE, LTSPICE, TSPICE, SIMPLIS/SIMetrix ו-Spectre. כמו כן, בדף המודלים נכללים STEP, מודלים תרמיים וספריית EPC Altium.

6. ניהול תרמי

מקסום ההספק עם תכני צלעות-קירור מתקדמים

חשוב לציין ש-GaN FETs‏ של EPC‏ יכולים לנצל קירור דו-צדדי כדי למקסם את יכולות פיזור החום שלהם בתכני צפיפות הספק גבוהה. זה מכוסה בפירוט ב-How2AppNote012 - כיצד להפיק יותר הספק מממיר eGaN.

אופטימיזציה של קירור עם חומרי ממשק תרמי איכותיים

חומרי ממשק תרמי (TIM) הם חלק קריטי ממערכת הקירור בעת שימוש בקירור מהצד העליון. מכיוון שהתקני GaN הם קטנים מאוד, קירור יעיל מסתמך על אפקט פיזור החום של צלעות-הקירור, אולם שכבת ה-TIM אינה נהנית מכך. בשל שטחה הקטן, שכבת ה-TIM תורמת משמעותית ל-Rth,JA הכולל, ולכן השימוש בחומרים בעלי מוליכות תרמית גבוהה מועיל מאוד. לשכבת ה-TIM יש גם תפקיד שני חשוב מאוד: לבודד חשמלית את התקני GaN מצלעות-הקירור, מכיוון שחלקם העליון של GaN FETs‏ של EPC‏ מחובר לפוטנציאל המקור.

EPC אספה מידע על חומרי TIM כדי לסייע למתכננים בחיפוש שלהם:

7. הרכבה

אפיון ויזואלי

בעת התחלת תהליך ייצור חדש, מקובל לקבוע בדיקות חזותיות נכנסות. כדי לפשט תהליך זה, תיאורים מפורטים של המאפיינים הפיזיים של רכיבי FET ו-IC של EPC, כולל הקריטריונים הוויזואליים שכל ההתקנים חייבים לעמוד בהם לפני שהם משוחררים למשלוח ללקוחות, ניתנים במדריך אפיון ויזואלי של FETs‏ ו-ICs‏ Enhancement Mode GaN‏

8. מדידות

GaN FETs‏ יכולים למתג הרבה יותר מהר מאשר Si MOSFETs‏.

השוואת צומת מתג ב-A‏ 15‏ (ממיר Buck‏ Vin‏ 48‏, Vout‏ 12‏)

זה יכול לגרום לאתגרים בשלב המדידה.

ראו פרטים נוספים ב-AN023 מדידה מדויקת של טרנזיסטורי GaN במהירות גבוהה

טיפים וטריקים

הביצועים העיליים של GaN FETs‏ מדגישים את הצורך בטכניקות מדידה טובות עבור מעגלים במהירות גבוהה.

1. יש למזער את חוג הארקה באמצעות שימוש במהדק קפיץ
2. יש לשמור על מיקום הבחון קרוב ככל האפשר להתקן הנבדק

דרישות רוחב-פס

אם משתמשים באוסצילוסקופים או בחונים בעלי רוחב-פס לא מספיק, לא ניתן למדוד במדויק את צורות הגל בפועל של ממיר טיפוסי. מומלץ רוחב-פס של MHz‏ 500‏ עבור ממירים טיפוסיים, ולפחות GHz‏ 1‏ עבור יישומים ספציפיים כמו LIDAR.

השפעת רוחב-פס של בחון/מערכת על צורת-גל שנקלטה (לוח מבוסס EPC9080‏)

בחונים דיפרנציאליים

מעניינת במיוחד היא מדידת שער צד-גבוה בתצורת חצי גשר טיפוסית. בנוסף לדרישה הקודמת מבחינת רוחב-פס ומערך המדידה, מדידה זו מציגה דרישות נוספות: 

1. בידוד גלווני: למרות שניתן להשתמש בערוצי המתמטיים כדי לשחזר את שער צד-גבוה, שיטה זו רגישה לרעש ואי-תיאום בין שני הבחונים. מומלץ בחון דיפרנציאלי
2. יחס דחיית אופן משותף (CMMR‏) גדול
3. דירוג מתח אופן-משותף (CM‏) > מתח הכניסה (Buck‏) או מתח היציאה (Boost‏)
4. אימפדנס כניסה גדול, רצוי || < pF‏ 2‏ 

יצרני ציוד בדיקה פיתחו בחונים דיפרנציאליים עם ביצועים עיליים המתאימים לכך: לדוגמה בחוני IsoVu‏ של Tektronix‏, DL-ISO‏ של LeCroy‏, ו-Firefly‏ של PMK‏.

מדידות פולס כפול

שיטת מדידה זו משמשת בדרך כלל למדידה ישירה של הפסדי מיתוג של התקני מוליכים-למחצה על ידי שימוש בפונקציה המתמטית של אוסצילוסקופ כדי להכפיל את צורות-הגל הרגעיות של המתח והזרם ולאחר מכן לשלב אותן. ניתן ליישם את השיטות הקודמות למדידת המתח, אולם במדידת הזרם יש אתגרים נוספים:

• דרישת רוחב-פס: חיישני זרם אקטיביים מתקשים עם הדיוק ורוחב-הפס הנדרשים, ולכן מצדי (Shunts‏) זרם הם עדיין השיטה המועדפת
• מצדי זרם דורשים ניתוק חוג הספקת-הכוח והכנסת החיישן. העלייה בהשראות חוג הההספק יכולה לשנות באופן משמעותי את תוצאות המדידה

מסיבות אלה EPC אינה ממליצה על בדיקת פולס כפול, אלא על שימוש במודלים Spice (ובמודל מכויל אם נדרש דיוק רב יותר): מודלים של התקני EPC

יצרני ציוד בדיקה עובדים על נושא זה, לדוגמה ראו את המאמר אפיון מדויק של GaN FETs‏ למתח נמוך עם גורם-צורה קטן.