臺大SoC中心新式電源技術論壇 探討GaN、USB PD及壓電擷取

臺灣大學系統晶片中心2019前瞻技術論壇「物聯網與新式電源技術」，探討台灣的發展契機。

伴隨物聯網(IoT)和5G應用興起，今後IoT與攜帶式裝置數量必然大增，衍生諸多挑戰，尤其如何在裝置提供更多功能與耗用更多電力下，有效增加裝置使用時間、縮短電池充電時間、縮小充電器體積，在在充滿難度，亦象徵背後有莫大商機可期。

為此臺灣大學系統晶片中心(NTU SoC Center)將2019前瞻技術論壇主題設定為「物聯網與新式電源技術」，邀請產學界專家針對三個重要議題展開精闢分享，分別是「氮化鎵」(GaN)、「USB PD」和「壓電振動能量擷取」，探討台灣的發展契機。

臺大SoC中心副主任吳安宇致詞表示，該中心每年針對前瞻技術論壇挑選一個主題，譬如2016的雲端儲存、2017的硬體安全、2018的量子運算。今年SoC中心同仁討論題目時，發現幾個值得留意的現象，包含Type-C應用普及性增高，GaN適用範圍更廣、觸角伸及LiDAR，及IoT時代大量感測器的電池更換成為難題，使壓電擷取技術的需求攀升，遂決定將主題定調在物聯網與新式電源技術。

高效及高功率密度趨勢，帶動GaN成為新寵

EPC亞太區FAE總監Peter Cheng率先發表「eGaN FET與應用」演說，他強調當前資料中心、油電混合車的供電架構，正從12V朝向48V轉換，如何提升48V供電架構的電源轉換效率、功率密度，為重要課題；啟用eGaN FET(氮化鎵場效應電晶體)的DC/DC轉換器，足以實現高效及高功率密度，可謂理想解方。

有關48V轉換，傳統MOSFET需要更高阻隔電壓易導致品質因數(FOM)變差，若改用100V eGaN FET，開關品質因數參數比MOSFET低4倍；換言之若以相同電感器、導通阻抗為前提，比較基於MOSFET與eGaN FET的48V-12V降壓轉換器之電路性能，後者將挾著更低Qg與Qoss、趨近於零的Qrr等眾多優勢完勝前者。

國研院台灣半導體研究中心(TSRI)鄒安傑博士，分享All GaN整合電路的製程與挑戰。近年因技術突破帶動GaN市場大開，若與同等級Silicon相比，GaN的Ron明顯較小，以致晶片面積更小、元件耐壓程度更高，在車載充電器、PV Inverter等產品應用具有優勢。

談及All GaN技術挑戰，首先落在p-GaN E-mode，殘留p-GaN會形成漏電途徑、導致w/o變差，故TSRI成立All GaN平台三年來致力改良蝕刻技術，確保每個p-GaN都被蝕刻乾淨。其次在於縮小臨界電壓(Threshold Voltage)的變化，故需製作All GaN IC，以同一Chip組合E-mode和D-mode元件，不再採取典型「Si CMOS gate driver+GaN power device」設計，使Switching效率更高。此外TSRI 積極發展元件散熱技術，將Wafer減薄，再於晶片背面開孔、填入銅，接著做二次CMP及Dicing，以增強散熱效果。

立錡科技何昌祐處長，闡述如何實現USB PD在手機快充之應用。他指出手機用戶普遍擔心電池續航力不足，未來5G預期將使手機能耗增20%，導致快充重要性與日俱增；快充關鍵技術為USB PD，可輸出高達100W電力，支援快充、資料傳輸與供電同時進行，由手機、平板、筆記型電腦或顯示器等Type-C裝置共用同一充電頭。

手機快充技術迄今發展到第三代，第二代由Adapter擔任Charger，手機端僅扮演Switcher，瀕臨充飽時才由手機端Charger接手；第三代進入高壓直充格局，因Charge、Switch行為皆在Adapter，能量損耗最低、轉換效率最高。USB PD TA設計挑戰來自Power需求愈來愈大、功率密度愈來愈高，且輸出電壓不再固定(可變範圍落在3.3V~21V)；立錡規劃的高密度、低BOM Cost之TA方案，係將SR、MCU整合為一(由MCU彈性支援各家不同協定)，未來將導入ZVS零電壓切換結構與GaN Device，以增進效率。

臺大SoC中心陳景然教授，分享應用於USB PD的返馳式轉換器之小信號模型與自調式控制。他提到因為USB PD應用具寬廣輸出電壓，業界常用的變頻電流模式控制(VFPCM)容易在某些操作條件下有不穩定現象，過去由於沒有小訊號模型，不易設計補償器以確保系統穩定。陳教授主持之電力電子實驗室首次提出小訊號模型，由推導之Vc到Vo小信號轉換函數，提供設計補償器準則，確保穩定度與相位餘裕，並據此提出適應性控制機制，可降低負載變動時輸出電壓變動達40%，相當於可減少40%輸出電容，降低轉換器體積與成本。

善用壓電擷取技術，化解感測器供電難題

同樣來自臺大SoC中心的吳文中教授分享壓電擷取技術，利用振動能轉換為感測器所需電能，以解決感測裝置供電難題。目前他已研發出小於1平方公分Chip Area的微壓電能源擷取元件，在一般馬達或風扇的微小振動可以輸出約100 uW的功率，在更高的振動量下最高甚至可輸出達300~400 uW功率。已可滿足一般物聯網感測裝置電力需求，在未來也可以SIP(system in a package)技術跟微機電感測器與物聯網無線通訊IC封裝在一起，堪稱重大突破。

本次活動的壓軸為陳景然主持的互動論壇，與談人除包括Peter Cheng、鄒安傑、何昌祐及吳文中等各個議程的講師，另加入強弦科技執行長賴致廷、GV Semiconductor技術長陳正閔。

針對GaN議題，陳正閔指出因高壓控制器無法驅動GaN Device，以致有些應用無法從MOSFET直接替換為GaN，顯見發展GaN Driver以控制Device，對市場拓展極其重要。Peter Cheng說近十年GaN的發展，期初連Driver IC都沒有，現在逐漸有IC、擴展更多元應用，展望未來如何有效整合材料、製程、用戶驅動，勢必愈趨重要。賴致廷認為將Driver與GaN結合，已變成SoC世界，後續可整合的標的甚多，想像空間頗大。

有關USB PD，何昌祐說隨著手機、筆記型電腦、顯示器、電視輸出相繼支援Type-C，未來可望形成更大USB PD生態系，真正減少因「每個裝置各有Adapter」產生的垃圾。吳文中指出，部份裝置如電競筆記型電腦，需消耗100W以上電力，現階段不見得適用USB PD，但下一代USB PD可望支援150W功率訊號，值得期待。

總括而論，此次論壇針對眾所關切的GaN、USB PD乃至能源獵取技術，皆有頗為深入的探討，讓關注新式電源技術的聽眾們獲益良多。