一款畅销全球的芯片：TOPSwitchGaN，再升级

历经多年的发展，大家对GaN（氮化镓）都已经不陌生了。作为新一代的半导体材料，GaN在开关速度、热管理和功率处理等方面拥有相当大的优势。基于于其打造的器件也已经被各类电子设备广泛采用。
 
据Yole预测，功率GaN器件市场在未来几年将以 42% 的复合年增长率 (CAGR) 增长，从 2024 年的 3.55 亿美元增长到 2030 年的约 30 亿美元，增长六倍。由此可见，GaN市场大有可为。正因如此，全球无论是传统功率器件巨头还是新贵，都涌进了这条赛道。
 
在其中，尤其是以Power Integrations（以下简称PI）最具代表性，而这一切都要从其推出的行业标杆性产品TOPSwitch说。
 
一款开关芯片，热卖30年
 
据PI首席技术培训师Jason Yan在日前一场分享中介绍，TOPSwitch是PI赖以起家的一款产品。作为业界首款且集成度最佳的反激式开关IC，这款芯片自推出以来，就受到开发者的热烈欢迎。在过去几十年的发展中，该芯片的出货量也突破了30亿颗。
 
“在地球上每个普通家庭中，平均都会有两颗TOPSwitch芯片”，Jason Yan说。
 

 
之所以一款芯片能火三十年，主要得益于公司在自1994年推出首款TOPSwitch芯片以来一直坚持在技术上和产品上创新。如PI所说，TOPSwitch是首款将离线式功率开关集成到小型封装中的器件，这一名称代表着电源转换领域的创新。工程师信赖TOPSwitch的高效率和易用性，而如今这些优势将惠及更广泛的设计领域。
 
Jason则以PI当年推出的只有三只脚的TOPSwitch举例说，作为当时市场中唯一一款把高压MOSFET技术和低压controller 集成到一起的单片芯片，这款芯片的亮相本来就非常惊艳。再加上这芯片只有三个引脚，这在让其甫一面世就在市场上就引起了很大的轰动。
 
按照PI的规划，推出TOPSwitch就是为了提供一种高效且性价比极高的电源转换器，为电力世界提供可靠的支持。朝着这个目标，他们在过去几十年里从各个方面提升这一系列产品。针对不同的需求，公司更是拓展了广泛了产品线。
 


Jason也表示，如图所示，从一开始的20W级别应用开始，公司因应需求逐渐将TOPSwitch推向了更高功率的应用。在这些与时俱进的支持下，PI这系列芯片被应用到了家庭、消费和工业等多个场景中。
 
后来，如大家所说，随着GaN的兴起，PI也未雨绸缪，提早卡位这个备受看好的新市场，旨在利用氮化镓将反激式转换器带入一个新领域。在PI看来，这并非关乎新材料本身，而是意味着设计人员可以使用单端反激式转换器，而无需使用双端或谐振架构。
 
现在，随着全新的TOPSwitchGaN反激式IC的发布，PI再一次突破了这系列老牌芯片的极限。
 
押注氮化镓，攀登新高峰
 
据介绍，新一代的TOPSwitchGaN是一项反激拓扑的突破性技术，将反激变换器的功率范围扩展至440W——远超传统上需要更复杂的LLC谐振拓扑结构所能达到的极限。全新的TOPSwitchGa反激式IC系列产品将该公司的突破性PowiGaN技术与其标志性的TOPSwitch IC架构相结合，简化了系统设计，在许多情况下无需使用散热片，缩短了设计周期，提高了可生产性，并降低了系统总成本。
 

 
从Jason的介绍我们得知，与过往的解决方案相比，PI的这个解决方案的领先性也很明显。
他表示，传统基于 MOSFET 的反激方案功率上限约为250W，更高功率需采用半桥或 LLC 谐振等复杂拓扑。但 TOPSwitch GaN突破了这个瓶颈，使单端反激电路得以覆盖电动工具、电动自行车充电器、无人机乃至大家电等更广泛的中高功率应用市场。
 

 
在实际测试中，据介绍，采用TOPSwitchGaN的集成解决方案在10%至100%的负载范围内均能实现92%的效率，且待机和关机模式下的功耗低于50mW，轻松满足欧洲能源相关产品 (ErP) 法规的要求。该器件无需同步整流即可实现这一性能，是高端家电、电动自行车充电器以及工业应用的理想选择。
 
PowiGaN开关的RDS(ON)远低于硅开关，因此导通损耗降低，显著提升了反激式变换器的功率处理能力。这些新型器件采用800V耐压的 PowiGaN开关，具有出色的抗浪涌能力及低开关损耗，可在高达150kHz的开关频率下工作，最大限度地缩小变压器尺寸。
 
在230V交流输入电压下（使用输入电压检测的条件下），空载功耗远低于50mW；当设备处于待机模式时，在230V交流输入电压下，输入300mW功率时仍可提供高达210mW的输出功率，作为设备的待机辅助供电。
 

 
据透露，新款IC提供两种封装形式。
 
针对超薄设计，扁平的eSOP-12表面贴装封装可在无需散热器的情况下实现135W（85–265VAC）的输出功率，适用于家电等应用。eSIP-7封装的立式架构可以最大限度地减少PCB板的占板面积，且其热阻与TO-220封装器件相当。通过使用简单的夹片安装的金属散热片，可实现更宽的功率范围，适用于电动工具、电动自行车和车库门门禁控制等应用。
由于TOPSwitchGaN IC与TinySwitch-5离线开关电源IC引脚相兼容，设计人员可以对10W到440W功率范围的应用采用相同的解决方案。
 
“TOP Switch GaN 并非简单集成 GaN 开关，而是采用了源自 TinySwitch-5 的数字控制架构，实现了性能飞跃”，Jason强调。
 
写在最后
 
在谈到未来发展时，Jason指出，首先，公司会持续推进公司GaN技术的发展，进一步提升反激拓扑的功率上限；与此同时，公司还会将功率GaN的应用从现在的消费和工业往汽车领域推进。
 
Jason同时透露，公司还在研究垂直GaN——一个被广泛看好的氮化镓发展方向。
 
资料显示，早在2024年，PI就收购了垂直GaN企业Odyssey Semiconductor Technologies的相关资产。按照PI所说，公司的目标是将具成本效益的高电流高电压氮化镓技术商业化，以支持目前碳化硅 (SiC) 在高功率应用中的表现。
 
PI认为，氮化镓可大幅减低成本并有更高的性能，而Odyssey团队在高电流垂直氮化镓方面的经验将辅助加速这些努力。