電源適配器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與解決方法

自從引入 USB-PD 規(guī)范及其演變以來，用于為從手機(jī)到筆記本電腦等日常電子設(shè)備供電的電源適配器的格局發(fā)生了很大變化。雖然USB-PD確保了廣泛的兼容性，但電源適配器的設(shè)計(jì)變得更具挑戰(zhàn)性：現(xiàn)在，電源適配器必須支持廣泛的輸出電壓（相對于固定使用適配器的單一輸出電壓）。與此同時(shí)，最終用戶對更輕、更小的適配器的需求仍在繼續(xù)。近年來引入了氮化鎵功率開關(guān)來滿足這些雙重要求。

與硅器件相比，GaN 器件提供更低的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，能夠以高效率實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率操作，因此適配器更輕、更小。基于 GaN 器件的設(shè)計(jì)需要特別注意，因?yàn)闁艠O電壓范圍有限，并且柵極易受雜散開啟和關(guān)閉的影響。然而，具有單片集成驅(qū)動(dòng)器的GaN FET（例如泰戈?duì)柤夹g(shù)公司的 TP44x00NM 系列）除了節(jié)省空間外，還使實(shí)施更加穩(wěn)健和容易。

雖然 GaN 器件可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，但仍有一些系統(tǒng)級問題需要解決，以實(shí)現(xiàn)高度可靠且適銷對路的適配器設(shè)計(jì)。正如每個(gè)電力電子工程師所知道的那樣，這些以熱設(shè)計(jì)和 EMI 合規(guī)性為中心。作為人類，當(dāng)我們處于緊張狀態(tài)時(shí)，我們會(huì)努力保持冷靜和鎮(zhèn)定。對于我們設(shè)計(jì)的電路來說，情況也沒有什么不同：適配器內(nèi)的電子設(shè)備必須在我們放置它們的狹小空間中保持涼爽（表現(xiàn)出低溫升）和平靜（低發(fā)射噪聲）。我們在本文中著眼于實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的技術(shù)。

散熱和 EMI 挑戰(zhàn)?

散熱和 EMI 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)對電源設(shè)計(jì)人員來說并不陌生。然而，隨著 GaN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)更緊湊的空間，這些挑戰(zhàn)變得更加嚴(yán)重。

特別關(guān)注 GaN 器件，GaN 器件的管芯尺寸遠(yuǎn)小于等效功率損耗性能的硅器件。此外，GaN 器件封裝更小，需要采取特殊措施來限制芯片溫度。即使 GaN 器件具有較低的損耗，增強(qiáng)的熱管理挑戰(zhàn)仍然存在。從 EMI 的角度來看，GaN 器件的寄生電容較低，因此它們傾向于以更快的上升沿和下降沿進(jìn)行開關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致諧波和 EMI 的產(chǎn)生。

此外，在更密集的適配器中更緊密地排列組件與實(shí)現(xiàn)低溫升和 EMI 是對立的。更多耗散組件和其他組件之間的鄰近加熱可能導(dǎo)致對其他組件的更高溫度額定值要求。此外，適配器的全封閉包裝提供了有限的散熱選擇。從 EMI 的角度來看，開關(guān)器件的接近性和較小的初級-次級間距會(huì)導(dǎo)致交叉耦合和其他問題。

盡管存在上述挑戰(zhàn)，但仍有一些可供設(shè)計(jì)人員使用的技術(shù)可以提高熱性能和 EMI 性能。

散熱解決方案

有效熱管理背后的基本原則是以最有效的方式分配熱量。這可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)，包括組件的戰(zhàn)略布局放置；通過添加銅平面連接到散熱組件來增加通過 PCB 的熱量傳播；在外殼的內(nèi)表面添加銅鍍層；并使用熱間隙填充材料橋接 PCB 頂部和底部。

我們將以使用準(zhǔn)諧振反激 (QRF) 拓?fù)涞?65W 適配器設(shè)計(jì)為例來說明實(shí)現(xiàn)其中一些概念的方法。首先，應(yīng)該認(rèn)識到輸入電解濾波電容（EL 電容）的體積很大（約為適配器體積的 15%），其散熱很少。因此，將 GaN 器件直接放置在電路板另一側(cè)的 EL 帽下方會(huì)有所幫助。使用通孔和熱膠將熱量傳遞到電路板的 EL 帽側(cè)有很大幫助。類似的策略可以應(yīng)用于 EMI 濾波電感器和其他耗散元件。

另一個(gè)有用的步驟是將輸入橋式整流器（消耗 4.5% 的輸出功率）移至子板。整流器組件的自熱不會(huì)損害適配器的性能。然而，從整流器到 GaN 器件的熱擴(kuò)散會(huì)影響功率處理能力。最后，在組裝之前，可以策略性地使用銅板將高耗散區(qū)域與低耗散區(qū)域連接起來，并嘗試平衡適配器內(nèi)的溫度。圖 1 說明了其中一些概念。

圖 1：散熱和 EMI 設(shè)計(jì)、布局和封裝解決方案

EMI 解決方案

EMI 解決方案包括傳統(tǒng)方法，例如選擇正確的頻率、正確的布局、選擇合適的 EMI 濾波器以及控制開關(guān)轉(zhuǎn)換。QRF 拓?fù)湓试S更柔和的開啟開關(guān)轉(zhuǎn)換，這有助于降低 EMI。TP44x00NM 系列還允許控制柵極開啟速度，從而為限制 EMI 提供了額外的杠桿。

這些微型適配器中的初級-次級電容要高得多，因?yàn)槌跫墏?cè)和次級側(cè)之間的間距從通常的 8 mm 減小到了更低的水平。這降低了共模阻抗并導(dǎo)致初級和次級之間更高水平的耦合——用于散布熱量的銅箔使這種現(xiàn)象變得更糟。最終的傳導(dǎo) EMI 合規(guī)性需要一些特殊措施（圖 1 中突出顯示了一些）。首先，共模 (CM) 扼流圈需要分成兩個(gè)電感器（一個(gè)用于 1 MHz 的頻率，另一個(gè)用于 1-30 MHz），位于 X 電容器的任一側(cè)并放置在 AC 側(cè)。差模 (DM) 濾波器是一種 pi 濾波器，通過將直流側(cè)濾波器帽一分為二并在中間放置一個(gè) DM 扼流圈形成。最后，也是最關(guān)鍵的，Y 電容，受安全要求約束，放置在兩個(gè)位置。一個(gè) (680 pF) 放置在 X 電容器和次級接地之間，另一個(gè) (也是 680 pF) 放置在次級開關(guān)節(jié)點(diǎn)和初級接地之間。1.36 nF 的總值遠(yuǎn)低于 2.2 nF Y 電容器的限值 — 提供了一些設(shè)計(jì)余量。

最終結(jié)果：熱和 EMI 改進(jìn)

上述熱和 EMI 改進(jìn)措施是在適配器中實(shí)施的，然后將其與同樣使用 GaN 技術(shù)的類似市售適配器進(jìn)行比較。熱和 EMI 結(jié)果分別如圖 2 和圖 3 所示。使用 TP44200NM 的適配器的熱性能隨著改進(jìn)的實(shí)施而較早穩(wěn)定，最終溫度至少比其他適配器低 10?C。EMI 性能也優(yōu)于市場采購的適配器（圖中未顯示），并在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)提供 >10-dB 的裕度。

圖 2：熱性能比較

圖 3：TagoreTech 適配器的 EMI 性能（>10-dB 余量）

結(jié)論

使用本文介紹的技術(shù)可以使基于 GaN 的適配器的實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)健。通過更加關(guān)注組件選擇、電路板布局和封裝技術(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)了 GaN 和 GaN IC 的潛在性能優(yōu)勢。當(dāng)電氣、熱和 EMI 性能協(xié)調(diào)一致時(shí)，其結(jié)果可能不僅是更涼爽（低溫升）和更平靜（低 EMI）的適配器，而且為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供更涼爽和更平靜的專業(yè)體驗(yàn)。

審核編輯：湯梓紅