大型数据中心、企业服务器或电信交换站使用大量电力，这并不令人感到意外。预计到2020年，美国数据中心的年用电量将增加到大约1,400亿千瓦时。这个使用量相当于50家电厂的发电量;数据中心的总电费每年约为130亿美元。
图1显示数据中心服务器场的典型电源转换架构。尽管大多数阶段都非常高效，但总体效率仅为67%左右。最后两个dc-dc阶段不仅效率最低，而且位于空间最有限的环境中:服务器机架或主板。由于浪费的能量以热量的形式散失，这里效率的降低直接导致冷却成本的增加。因此，设计师总是努力提高这些阶段的表现。
1.为服务器微处理器生成1-V直流电源需要多个ac-dc和dc-dc转换阶段;其中大约33%的热量被浪费掉了(来源:德州仪器)
许多此类系统的设计者都在标准化48v配电架构，并结合负载点(POL) dc-dc转换器。较高的母线电压降低给定功率水平的电流，从而使配电损耗最小化。例如，谷歌就提出了这样的机架架构开放计算项目这是一个专注于开发节能数据中心的行业联盟。
在直流-直流阶段，这推动了新型半导体材料和高效POL设计的采用，这种设计可以在单个阶段将48v转换为1v。
氮化镓的情况
多年来，硅一直是绝大多数半导体器件的核心。然而，现在氮化镓(GaN)正在取代硅，成为工业自动化、电机驱动器、高频dc-dc转换和类似应用中功率晶体管的首选材料。beplay体育手机登录
为什么使用甘?它是一类宽带隙(WBG)半导体中的一种，在功率应用中具有比硅更好的性能。GaN的禁带能为3.4 eV，而硅的禁带能为1.1 eV。更高的能量使GaN功率晶体管有许多优点，包括:
•更低的门电容和输出电容，更高的开关频率和更低的开关损耗。
•更高的效率，导致更低的导通和开关损耗，和低或零反向恢复损耗。
•更小的占地面积，更高的功率密度设计。
•降低RDS(上)用于更高的电流操作。
还有其他WBG半导体，特别是碳化硅(SiC)，带隙能为3.3 eV。尽管如此，氮化镓仍有望在高达50 A和200 V的高性能电源应用中占据主导地位。
在48v POL dc-dc变换器中，从Si到GaN的转换导致了效率的全面提高(图2)．
2.在大功率dc-dc变换器中，氮化镓保持了硅的一些优势，在所有负载点上都提供了效率优势。(来源:德州仪器)
结合驱动器和GaN的最佳性能
虽然GaN晶体管的开关速度比硅mosfet快得多，并且可以实现更低的开关损耗，但重要的是，设计的其余部分有助于充分利用这些优势。
GaN设备通常与驱动程序分开包装，因为它们使用不同的工艺技术。每个封装都可以从内部键合线或印刷电路板(PCB)互连引入额外的寄生电感，这将限制GaN在高转换速率下的开关性能。将GaN FET和驱动器集成到同一个包减少寄生，优化开关性能。
一个单独的包也使它更容易包括保护功能。例如，过流保护电路要求GaN器件和驱动器之间的低电感连接。额外的电感会引起振铃，需要很长时间来保持电流保护不失火。集成驱动器使传感电路和GaN FET之间的电感最小化，从而使电流保护电路能够尽可能快地做出反应。
由于封装引线框架是一种优秀的热导体，驱动器和GaN场效应晶体管的温度可以紧密跟踪。然后在驱动芯片上加入热敏感和过温保护电路，以保护FET。
GaN设备的架构优势
使用GaN功率级在架构上也有优势。图3显示了前面讨论过的电力转换链中的交流-直流和直流-直流阶段。隔离变压器二次侧48v直流或12v直流母线电压降至中间3.3 V;然后一个或多个降压转换器产生处理器和其他组件所需的电压。
3.典型脱机变流器的二次侧直流母线电压为48v，中间直流-直流级馈电3.3 V给附加的低压POL变流器。(来源:德州仪器)(点击放大)
GaN器件允许设计单级、高效率、48v到1v的dc-dc变换器。中间阶段的消除节省了成本，减小了板级的尺寸;在房间层面，它也降低了冷却成本。
GaN DC-DC变换器拓扑
几种不同的dc-dc变换器拓扑可以用来将48v转换为1v，每种拓扑都有其优点和缺点。降压转换器也许是最简单、成本最低的，但效率较低。另一方面，基于变压器的半桥拓扑结构要复杂得多，而且成本更高，效率也更高。
4.简单的降压(a)和半桥dc-dc变换器(b)拓扑分别强调低成本和高性能。(来源:德州仪器)
半桥拓扑有效地支持高降压比，同时提供快速瞬态响应和变压器二次侧全波整流的显著输出电流。让我们更详细地看一个半桥设计示例。
应用实例
图5介绍了一种高效的48v / 1v POL变换器的设计框图LMG520080伏，10-A GaN半桥功率级，和TPS53632G网格状的POL控制器。
LMG5200提供了图4b中的初级侧fet Q1和Q2。它将两个18-mΩ GaN fet及其驱动集成到一个设备中。为了最小化寄生电感，所有三个设备都安装在一个九脚QFN包，不包含键合线。
5.图中是基于氮化镓的非隔离48v / 1v dc-dc变换器的关键部件。本设计采用LMG5200 GaN功率级、TPS53632半桥PWM控制器、UCC27523双mosfet驱动器和两个分立的EPC2023 GaN fet。(来源:德州仪器)
TPS53632G控制器采用D-CAP +滞后控制结构和特点谷电流模式可调ON时间控制，可调摆率，快速瞬态响应。与合适的GaN功率级配对时，该部件可切换至1 MHz。一个我2C Rev 3.0接口，输出电压控制，电流监测信息反馈。
副边包括current-doubler整流器，图4b所示的全波整流器的改进。在这种配置中，二次变压器不是中心抽头;取而代之的是，有两个电感器，每个电感器携带一半的直流输出电流。这种安排增加了复杂性，但简化了电力变压器的设计，耗散更少的功率，并需要更小的磁性元件。
为了进一步提高效率和降低功耗，我们需要采用一种新的方法UCC27523双低侧MOSFET驱动器和两个EPC2023 GaN fet取代二极管，为电流倍增电路增加同步整流。TPS53632为UCC27523提供驱动信号。
虽然此设计是非隔离的，但可以通过添加数字隔离器(如ISO7820在TPS53632和原端设备之间。
的LMG5200POLEVM-10A评估模块(EVM)可用来评估该设计。用户手册包含完整的原理图，支持36 ~ 75v的输入电压和0.5 ~ 2.5V的输出电压。
布局的指导方针
如前所述，为了充分利用GaN技术，优化设计的各个方面非常重要，尤其是在PCB布局中。
减小寄生电容尤为关键。例如，将开关节点到地或V的电容最小化是至关重要的在．在场效应晶体管接通过程中，任何寄生电容都必须充电，这增加了开关损耗。注意多层板的层间电容也是很重要的。即使具有绝缘热接口的散热器也会增加寄生电容。
干扰是另一个需要处理的问题。高功率GaN开关会干扰低级逻辑器件，而糟糕的布局会导致一系列不良影响，包括意外触发、射穿和错误触发。
GaN布局指南在TI的应用说明中有更详细的介绍SNOA946，讨论了另一种半桥GaN的设计，这一种使用了LMG3410600v, 12a智能GaN电源级。
结论
氮化镓晶体管为电信和服务器应用的低电压、大电流POL转换器的设计者提供了关键优势。但是，为了充分利用它们的性能，有必要注意一些关键的设计指南。
TI拥有一系列GaN解决方案、评估板、应用笔记和工具，覆盖这些领域，帮助工程师开发成功的设计。
