如何打造“不一樣”的電源管理器件？

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，電源管理是一個(gè)很“卷”的市場(chǎng)，這是不爭(zhēng)的事實(shí)。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(lái)越接近性能的天花板，從其身上可以榨取的附加值也越來(lái)越少。

在這樣的大背景下，想要打造出具有差異化優(yōu)勢(shì)的、與眾不同的電源管理器件，難度可想而知。不過(guò)，成功實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，也并非無(wú)跡可尋，一般來(lái)講有兩個(gè)可選的路徑：

1、尋找新的替代技術(shù)，實(shí)現(xiàn)器件性能的迭代升級(jí)。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(kāi)發(fā)和應(yīng)用日趨火熱，就是這個(gè)原因。各個(gè)廠商都想搶先在這個(gè)領(lǐng)域有所建樹(shù)，利用性能上的代差優(yōu)勢(shì)，從傳統(tǒng)硅基器件的“紅?！敝忻摲f而出。

2、針對(duì)特定應(yīng)用的優(yōu)化，在某個(gè)細(xì)分領(lǐng)域確立優(yōu)勢(shì)。通過(guò)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(chǎng)，這是一個(gè)重要的競(jìng)爭(zhēng)策略。

對(duì)于上面兩條路徑，大家都心知肚明，可在現(xiàn)實(shí)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，誰(shuí)能夠走得通、走得好，則十分考驗(yàn)半導(dǎo)體廠商的市場(chǎng)洞察力和技術(shù)實(shí)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(jí)

如前文所述，推動(dòng)新一代的寬禁帶半導(dǎo)體器件的開(kāi)發(fā)，是功率半導(dǎo)體廠商確立差異化優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵著力點(diǎn)。這一點(diǎn)，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(shì)，如更寬的禁帶（能隙）、更高的電場(chǎng)強(qiáng)度、更高的熱導(dǎo)率等（如圖1）。在諸多優(yōu)勢(shì)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(chǎng)強(qiáng)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(jí)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(lái)額外的可靠性裕量，在遇到瞬態(tài)熱沖擊時(shí)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(huì)更低，加之SiC具有更高的電子飽和速度，因此SiC器件可實(shí)現(xiàn)比Si基器件更快的開(kāi)關(guān)速度和更低的損耗。

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(lái)越多，相應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈。這也就要求半導(dǎo)體廠商所開(kāi)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(gè)新賽道時(shí)，大多數(shù)半導(dǎo)體廠商都會(huì)選擇將SiC肖特基二極管作為切入點(diǎn)。這是因?yàn)镾iC肖特基二極管結(jié)構(gòu)和工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，很適合作為SiC技術(shù)商用的敲門(mén)磚。

與類似的Si基功率二極管相比，SiC二極管中不會(huì)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(shí)現(xiàn)更高的功率密度。同時(shí)，由于開(kāi)關(guān)損耗低，SiC二極管可實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率，耗散的熱量也較小，因此只需使用較簡(jiǎn)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(shuō)，相對(duì)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(shì)，不過(guò)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(jì)和制造工藝上雙管齊下，將器件的性能提升到了一個(gè)新高度。

具體來(lái)講，在SiC二極管的設(shè)計(jì)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(lái)的差異化優(yōu)勢(shì)是多方面的。

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(huì)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(yáng)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(chǎng)強(qiáng)的通用區(qū)域向下移動(dòng)到幾乎沒(méi)有缺陷的漂移層，遠(yuǎn)離有缺陷的金屬勢(shì)壘區(qū)域，從而減小總漏電流（如圖3所示）。同時(shí)，正向壓降會(huì)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(yùn)行。

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(duì)較高的漂移層電阻相關(guān)。正常運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行，同時(shí)在開(kāi)關(guān)期間提供相同的優(yōu)勢(shì)；而在高瞬態(tài)浪涌電流事件期間，通過(guò)MPS二極管的電壓會(huì)超過(guò)內(nèi)置P-N結(jié)二極管的開(kāi)啟電壓，從而開(kāi)始以更低的差分電阻傳導(dǎo)。這樣可以轉(zhuǎn)移電流，同時(shí)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(duì)同樣級(jí)別的瞬時(shí)過(guò)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(gè)主要原因。而對(duì)于SiC二極管來(lái)說(shuō)，只有多數(shù)載流子才會(huì)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(huì)有Si快速恢復(fù)二極管那樣的非線性性能。這使得開(kāi)發(fā)者更容易預(yù)測(cè)出SiC器件的行為，而無(wú)需考慮各種環(huán)境溫度和負(fù)載條件，為設(shè)計(jì)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(guò)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(lái)看，未經(jīng)過(guò)處理的SiC襯底為N摻雜襯底，并會(huì)生長(zhǎng)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(huì)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(duì)此，Nexperia的解決方案是通過(guò)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(huì)降低二極管的性能，甚至導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的器件失效。通過(guò)對(duì)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(lái)的三分之一。

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(wú)關(guān)的電容關(guān)斷、零恢復(fù)開(kāi)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。

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(gè)廠商角逐的一個(gè)主賽場(chǎng)。這是因?yàn)?，憑借高耐壓、低導(dǎo)通電阻、高開(kāi)關(guān)頻率、高效率、小型化等優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)前景非?？捎^。

隨著技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展，今天SiC MOSFET領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)也愈發(fā)激烈。想要從中勝出，參與競(jìng)爭(zhēng)的SiC MOSFET器件，必須能夠提供更為獨(dú)特的功能，為用戶帶來(lái)其他競(jìng)品無(wú)法替代的價(jià)值。

在這個(gè)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(shì)，具有出色的溫度穩(wěn)定性和很高的開(kāi)關(guān)速度，非常適合于大功率和高壓工業(yè)應(yīng)用。

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(shì)，更是錦上添花，讓人過(guò)目不忘。

優(yōu)勢(shì)一、超低的RDS(ON)漂移

對(duì)于典型的SiC器件，隨著結(jié)溫的升高，RDS(ON)在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)通常會(huì)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(jìng)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(shì)特性對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、充電基礎(chǔ)設(shè)施、太陽(yáng)能光伏、UPS等需要較高工作溫度的應(yīng)用，大有裨益。

優(yōu)勢(shì)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(gè)重要指標(biāo)，同時(shí)閾值電壓容差也是一個(gè)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(gè)并聯(lián)的SiC MOSFET之間實(shí)現(xiàn)高度對(duì)稱的開(kāi)關(guān)行為——這種并聯(lián)設(shè)計(jì)是許多電源應(yīng)用中的常見(jiàn)布局形式——通過(guò)“平衡的并聯(lián)”減少單個(gè)器件的應(yīng)力，進(jìn)而增強(qiáng)電路性能并延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。與類似的競(jìng)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。

優(yōu)勢(shì)三、優(yōu)異的柵極電荷參數(shù)

對(duì)于SiC MOSFET來(lái)說(shuō)，低柵極電荷 (QG) 可以降低開(kāi)關(guān)操作期間的柵極驅(qū)動(dòng)損耗，還有助于降低功耗和對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)性能。

優(yōu)勢(shì)四、超低正向壓降

SiC MOSFET通常用于具有高邊和低邊MOSFET的對(duì)稱橋配置，即一個(gè)器件導(dǎo)通時(shí)另一個(gè)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(shí)間”（即兩個(gè)器件都處于關(guān)斷狀態(tài)的短暫持續(xù)時(shí)間）。但即使在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電流也會(huì)繼續(xù)流過(guò)MOSFET的體二極管，并且產(chǎn)生的壓降高于器件通道導(dǎo)通時(shí)的壓降。也就是說(shuō)，死區(qū)時(shí)間間隔內(nèi)升高的壓降會(huì)帶來(lái)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(shí)間的器件相比，Nexperia的SiC MOSFET損耗要低得多。

總之，SiC MOSFET相對(duì)于Si基器件的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)眾所周知，但隨著越來(lái)越多SiC MOSFET產(chǎn)品的面市，想要在眾多競(jìng)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(shì)，找到了贏得差異化競(jìng)爭(zhēng)的“密碼”。

緊湊而高效的LCD偏壓電源IC

如果說(shuō)上文提到的兩款Nexperia的SiC產(chǎn)品，是在技術(shù)迭代升級(jí)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(guò)面向應(yīng)用的優(yōu)化，在細(xì)分市場(chǎng)上確立競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)”。

隨著電子產(chǎn)品的智能化，使用顯示屏的產(chǎn)品越來(lái)越多，以提供更佳的人機(jī)交互體驗(yàn)，這也推動(dòng)了對(duì)于屏幕偏壓驅(qū)動(dòng)芯片需求的增長(zhǎng)。針對(duì)這一市場(chǎng)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。

為了獲得差異化的優(yōu)勢(shì)，Nexperia的這兩款I(lǐng)C在兩個(gè)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(gè)電感器即可為兩個(gè)輸出端提供支持，并采用內(nèi)部補(bǔ)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(jì)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L(zhǎng)CD提供更穩(wěn)定的圖像，更大限度地延長(zhǎng)LCD的工作壽命，是智能手機(jī)、平板電腦、VR頭顯和LCD模塊等產(chǎn)品的理想選擇。

本文小結(jié)

綜上所述，打造具有差異化優(yōu)勢(shì)的“不一樣”的產(chǎn)品，是當(dāng)下電源管理器件市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)之道。無(wú)論是借助技術(shù)升級(jí)開(kāi)疆?dāng)U土，還是在成熟市場(chǎng)中精耕細(xì)作，都是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑，當(dāng)然也是檢驗(yàn)元器件廠商“功力”的命題。