保護USB端口、為來自不同源的設備切換電路、以及高側負載開關免受浪涌影響，都依賴于雙向電壓阻斷和電流導通。到目前為止，設計人員只能使用兩個N型MOSFET以背靠背的方式連接在共同源極配置中來實現這一目的。這種方法涉及兩個組件，并因導通電阻(RDS(on))、安全工作區(SOA)及其他特性而受到限制(見圖1)。雙向氮化鎵(BiGaN)開關是一種創新的解決方案，能夠降低功耗并大幅縮小占用空間。

由于其垂直結構，MOSFET在集成方面面臨重大挑戰。在單個芯片上集成兩個FET，使其在成本、RDS(on)及電壓值上適應大約30V及以上的設備是非常困難的。相比之下，制造單片雙向GaN開關則相對簡單，因為GaN高電子遷移率場效應晶體管(HEMT)的側面結構和缺乏寄生二極管。

更低的泄漏和空間需求

在智能手機的電池管理系統中使用過壓保護(OVP)開關旨在限制總損耗，同時盡可能保持小的占用面積。在這個特定應用中，電路斷路器能夠在不需要頻繁切換兩種狀態的情況下，阻擋導通電壓或電流。因此，門極充電不會導致顯著的開關損耗。總損耗基本上僅由導通損耗決定，因此也決定了設備的總導通電阻。

傳統上，OVP功能是通過背靠背連接的離散MOSFET實現的。新型的BiGaN器件技術比通常的單個GaN HEMT略大。這種設計顯著降低了導通電阻，并提供了比使用兩個離散器件在雙向開關配置中更緊湊的解決方案。

在傳統MOSFET中，RDS(on)是設備完全開啟時漏極與源極之間的電阻。而BiGaN器件對應的值是RDD(on)，即設備完全開啟時兩個漏極之間的電阻。封裝會對導通電阻產生顯著影響。BiGaN器件的橫向結構提供了最小的寄生電阻，幫助降低導通損耗和熱耗散。其緊湊性也確保了出色的“導通電阻×面積”(Ron*A)性能，這是系統小型化的重要因素。最后，單個BiGaN器件取代了兩個MOSFET，從而顯著減少了占用空間并簡化了材料清單。

評估BiGaN器件的第一個選項是保持現有面積和占用空間，這顯著降低了導通電阻值，從而限制了充電過程中溫度的升高。另一方面，BiGaN在保持良好導通電阻和因此良好效率的同時，顯著減少了OVP功能的占用面積。圖2突出了使用BiGaN器件調節智能手機電池功率所獲得的結果。

安全工作區(SOA)與分散性

安全工作區(SOA)是負載開關應用中的一個重要元素。該參數規定了允許設備在不受損壞或性能降低的情況下運行的電壓和電流組合。限制SOA的因素包括Ron值以及某些封裝和熱特性。由于閾值電壓(Vth)的負溫度系數，改善硅MOSFET的SOA變得復雜。由于GaN器件的VTH值對溫度的變化較小，BiGaN技術即使在高溫下也能保持更好的SOA性能。

在使用雙向電壓阻斷的應用中，另一個重要因素是門極泄漏。硅MOSFET擁有優良的門極泄漏性能。在這些器件中，門極通過門介質(氧化物)與通道絕緣，導致在25°C時泄漏電流低于μA。隨著溫度升高，硅MOSFET的Vth值下降，而泄漏電流增加。

BiGaN器件具有獨特的門極結構，可以描述為兩個二極管背靠背連接。沒有適當的控制，BiGaN器件的門極泄漏可能比硅MOSFET更高。這一需求對于在智能手機中實施解決方案至關重要。

BiGaN器件的控制

用于硅背靠背MOSFET的電流驅動器也可用于BiGaN技術，前提是驅動電壓為5V。在智能手機的情況下，大多數充電IC與具備5V門驅動的HEMT GaN晶體管兼容。

要開啟BiGaN器件，門極電壓必須高于Drain1或Drain2至少Vth(約1.7V)。要關閉它并阻止電流在任一方向流動，門極與漏極之間的電壓(VGD1和VGD2)必須低于Vth，或者門極接地。BiGaN可以通過5V應用中的電荷泵驅動(見圖3)。當EN為低時，門極電壓為零，BiGaN將處于關閉狀態。當EN為高時，門極電壓將被泵送至VIN + 5V，BiGaN將開啟，VOUT將等于VIN。

帶有5V門驅動的IC通常被限制在智能手機應用中使用。這些應用使用約10V的驅動器，旨在從硅MOSFET中獲得盡可能低的RDS(on)值。這些驅動器的驅動電壓高于最大門極額定值，因此GaN HEMT不能直接由其驅動。在這些應用中，可以使用帶有齊納二極管(D1和D2)的終端電路將VGD連接至低于6V的電壓(見圖4)。為了實現漏極到門極的阻斷，二極管D4和D5的擊穿電壓大于40V。

結論

BiGaN器件的發展推動了為智能手機等不同電源設備的開關電路、高側負載開關、USB端口的浪涌保護及類似應用提升性能的可能性，這得益于高性能、低成本的GaN-on-Si器件的可用性。

如所示，BiGaN技術可靠且易于使用。在智能手機中，BiGaN能夠支持快速充電，相比于硅MOSFET的背靠背解決方案，限制了溫度的升高。此外，由于BiGaN解決方案的緊湊性，調節電池充電和放電電流的裝置可以放置在設備中，而不是充電器中。通過將這一功能移出充電器，可以制造出更加緊湊的充電器。BiGaN這一創新技術為設計的新范式提供了可能。