巧用這三個(gè)GaN 器件 輕松搞定緊湊型電源設(shè)計(jì)

緊湊型 100 瓦電源的應(yīng)用范圍不斷增加，從 AC-DC 充電器和適配器、USB 供電 (PD) 充電器和快速充電(QC) 適配器，到 LED 照明、白色家電、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、智能儀表和工業(yè)系統(tǒng)等。對(duì)于這些離線反激式電源的設(shè)計(jì)者來說，面臨的挑戰(zhàn)是如何確保穩(wěn)健性和可靠性，同時(shí)繼續(xù)降低成本，提高效率，縮小外形尺寸以提高功率密度。

為了解決其中的許多問題，設(shè)計(jì)者可以用基于寬帶隙 (WBG) 技術(shù)的器件 (GaN) 來取代硅 (Si) 功率開關(guān)。這樣做直接轉(zhuǎn)化為提高電源效率和減少對(duì)散熱器的需求，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。然而，與硅相比，氮化鎵開關(guān)更難驅(qū)動(dòng)。

設(shè)計(jì)師可以克服與快速開關(guān)速度有關(guān)的問題，如雜散電感和電容以及高頻振蕩，但這樣做需要增加開發(fā)時(shí)間和成本。相反，設(shè)計(jì)者可以轉(zhuǎn)向高度集成的離線反激式轉(zhuǎn)換開關(guān) IC，其內(nèi)部裝有氮化鎵功率器件。

本文簡(jiǎn)要討論了氮化鎵的優(yōu)勢(shì)及其設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。然后，介紹了Power Integrations的三個(gè)帶有內(nèi)部氮化鎵功率開關(guān)的集成離線反激式轉(zhuǎn)換開關(guān) IC 平臺(tái)，并說明如何使用它們來制作高效率的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。最后討論了互補(bǔ)的MinE-CAP大容量電容器小型化和浪涌管理 IC，以及一個(gè)有用的在線設(shè)計(jì)環(huán)境。

什么是 GaN，它有什么好處？

GaN（氮化鎵）是一種 WBG 半導(dǎo)體材料，與硅相比，它具有低“導(dǎo)通”電阻、高擊穿強(qiáng)度、快速開關(guān)速度和高熱導(dǎo)率等優(yōu)勢(shì)。使用氮化鎵代替硅，可以制造出在開啟和關(guān)閉期間具有更低開關(guān)損耗的開關(guān)。此外，具有等效導(dǎo)通電阻的氮化鎵器件比它們的同類產(chǎn)品小得多。因此，在既定芯片尺寸下，氮化鎵功率開關(guān)具有較低的綜合傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗（圖 1）。

圖 1：在給定的芯片尺寸下，與硅 MOSFET 相比，GaN 器件的導(dǎo)通電阻更低，導(dǎo)致總損耗更低。（圖片來源：PowerIntegrations）

雖然氮化鎵具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但它在設(shè)計(jì)上可能具有挑戰(zhàn)性。例如，由于 GaN 器件的開關(guān)速度極快，驅(qū)動(dòng)電路布局對(duì)來自印刷電路板和分立 GaN 封裝的雜散電感和電容可能非常敏感。驅(qū)動(dòng) GaN 器件時(shí)可能出現(xiàn)的快速電壓波動(dòng) (dv/dt) 和高頻振蕩會(huì)產(chǎn)生更多的電磁干擾 (EMI)，需要將其過濾掉以防止轉(zhuǎn)換器效率降低。另外，氮化鎵器件的快速開關(guān)特性使得保護(hù)它們不受故障條件的影響變得很困難，因?yàn)樗鼈儞p壞器件的速度比保護(hù)電路的反應(yīng)還要快。

簡(jiǎn)潔而不犧牲性能

Power Integrations 通過其準(zhǔn)諧振InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP和InnoSwitch3-ProPowiGaN 轉(zhuǎn)換開關(guān) IC（圖 2）解決了這些復(fù)雜問題。PowiGaN 是 Power Integrations 內(nèi)部開發(fā)的 GaN 電源開關(guān)技術(shù)，它取代了 InnoSwitch3 離線反激式轉(zhuǎn)換開關(guān) IC 初級(jí)側(cè)的傳統(tǒng)硅晶體管。相反，它將初級(jí)、次級(jí)和反饋電路集成在一個(gè)單一表面貼裝器件 (SMD) InSOP-24D 封裝中。這樣一來，這些器件減少了驅(qū)動(dòng)器布局的復(fù)雜性和EMI 的產(chǎn)生，同時(shí)也減少了傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，使得適配器和充電器以及開放式框架電源更有效、更輕、更小。

使用這種方法可以使電源設(shè)計(jì)者專注于電源傳輸、熱性能、外形尺寸和其他應(yīng)用考慮，而不會(huì)被具有挑戰(zhàn)性的 GaN 技術(shù)所干擾。

圖 2：InnoSwitch3 離線反激式轉(zhuǎn)換開關(guān) IC 帶有 GaN 開關(guān)，采用節(jié)省空間的 InSOP-24D 封裝。（圖片來源：Power Integrations）

采用 PowiGaN 技術(shù)的三個(gè) InnoSwitch3 系列針對(duì)特定的應(yīng)用類別進(jìn)行了優(yōu)化。

• InnoSwitch3-CP 適用于電池充電等應(yīng)用，可以從恒定的功率曲線中受益。

• InnoSwitch3-EP 適用于一系列消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用中的開放式 AC-DC 電源。

• InnoSwitch3-Pro 器件包括一個(gè) I2C 數(shù)字接口，可實(shí)現(xiàn)恒壓 (CV) 和恒流 (CC) 設(shè)定點(diǎn)、安全模式選項(xiàng)和異常處理的軟件控制。

InnoSwitch3 IC 具有準(zhǔn)諧振控制功能，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)效率高達(dá) 95%，支持精確 CV、CC 和恒定功率 (CP) 輸出，以滿足各種應(yīng)用需求，并包含無損電流感應(yīng)技術(shù)。后者消除了對(duì)降低效率的外部電流感應(yīng)電阻的需要，這些電阻甚至可以超過許多分立設(shè)計(jì)中的 GaN 開關(guān)的電阻。

該開關(guān)的其他主要特性包括二次側(cè)感應(yīng)、專用同步整流 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器、一次側(cè)和二次側(cè)控制器間的集成 FluxLink 電感耦合反饋連接、>4,000 伏交流電 (VAC) 的隔離、符合全球能效要求、低 EMI、符合安全和法規(guī)（UL1577 和 TUV（EN60950 和EN62368）安全認(rèn)證）以及 100% 載荷步的瞬態(tài)響應(yīng)。

數(shù)字可控的離線 CV/CC QR 反激式轉(zhuǎn)換開關(guān) IC

多化學(xué)和多協(xié)議電池充電器、可調(diào) CV 和 CC LED 鎮(zhèn)流器、高效USB PD 3.0+ 可編程電源 (PPS)、QC 適配器和類似應(yīng)用的設(shè)計(jì)者可以從使用完全可編程的 InnoSwitch3-Pro IC 中受益，包括可用于提供高達(dá) 90 瓦的 AC-DC 適配器和高達(dá) 100 瓦的開放式框架 AC-DC 電源的INN3378C、INN3379C和INN3370C（表 1）。當(dāng)需要對(duì)輸出電流和電壓調(diào)整進(jìn)行精細(xì)控制時(shí)，這些器件也很有用（支持 10 毫伏 (mV) 和 50 毫安 (mA) 的步階）。

表 1：InnoSwitch3-Pro IC 的額定工作電壓為 230VAC ±15% 輸入和 85 至 265 VAC 輸入。（表格來源：Power Integrations）

InnoSwitch3-Pro 器件中的 I2C 接口簡(jiǎn)化了完全可編程電源的開發(fā)和生產(chǎn)（圖 4）。它能對(duì)輸出電流和電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。它可以用來配置電源、控制 CV、CC 和 CP 設(shè)置點(diǎn)、保護(hù)設(shè)置，如過壓和欠壓閾值，并處理故障報(bào)告。集成的 3.6 伏電源可用于為外部微控制器 (MCU) 供電。此外，<30 毫瓦 (mW) 的空載功耗（包括傳感線路和 MCU）符合所有全球能源效率要求。

圖 3：InnoSwitch3-Pro IC 包括一個(gè) I2C 接口，用于全數(shù)字控制和監(jiān)測(cè)，以及一個(gè)集成的 3.6 伏電源 (uVCC)，為外部MCU 供電。（圖片來源：Power Integrations）

硬件可配置解決方案

針對(duì)不需要數(shù)字編程或監(jiān)控的應(yīng)用，Power Integrations 提供了 InnoSwitch3-CP（圖 5）和 -EP 系列硬件可配置解決方案。與 InnoSwitch3-Pro 一樣，InnoSwitch3-CP 和 InnoSwitch-EP 器件包括主控制器和輔助控制器，并在單個(gè) IC 中實(shí)現(xiàn)了額定電壓 >4000 VAC 的增強(qiáng)隔離。保護(hù)功能包括輸出過壓和過流限制，交流線路過壓和欠壓保護(hù)，以及超溫關(guān)斷。這些器件具有高抗噪能力，能夠讓設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) EN61000-4 "A" 級(jí)性能水平。

圖 4：顯示的是 InnoSwitch3-CP 的典型應(yīng)用，在一次側(cè)和二次側(cè)控制器之間有 FluxLink 電感耦合反饋連接（虛線）。（圖片來源：PowerIntegrations）

對(duì)于最高 100 瓦的高效反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)者來說，如要讓設(shè)計(jì)用于諸如 USB PD、QC 適配器之類應(yīng)用，就可以使用 InnoSwitch3-CP 器件，如INN3278C、INN3279C和INN3270C（表 2）。這些 QR 轉(zhuǎn)換開關(guān) IC 具有 CV 和 CC 模式，帶有恒定的電源配置文件，支持鎖存和自動(dòng)重啟標(biāo)準(zhǔn)組合。電纜掉線補(bǔ)償是一個(gè)可選功能。

表 2：用于適配器和開放式設(shè)計(jì)的 InnoSwitch3-CP 系列額定功率（表格來源：Power Integrations）

對(duì)于像水電氣表、工業(yè)和智能電網(wǎng)電源、白色家電的待機(jī)和偏置電源、消費(fèi)產(chǎn)品以及不使用恒定功率操作的計(jì)算機(jī)這樣的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可選擇的 InnoSwitch3-EP 器件如INN3678C、INN3679C和INN3670C（表 3）。

表 3：InnoSwitch3-EP IC 在 230 VAC ±15% 電壓實(shí)現(xiàn)全額定功率，在 85 至 265 VAC 的寬輸入范圍內(nèi)則降額輸出。（表格來源：Power Integrations）

InnoSwitch3-EP 器件支持良好的多輸出交叉調(diào)節(jié)。輸出電流感應(yīng)可通過一個(gè)外部電阻調(diào)節(jié)，而 CV/CC 性能非常準(zhǔn)確，不受任何外部元件影響。這些 QR 反激式轉(zhuǎn)換開關(guān) IC 可選擇自動(dòng)重啟輸出欠壓保護(hù)，并可訂購標(biāo)準(zhǔn)或峰值功率傳輸選項(xiàng)。

大容量電容器的小型化和浪涌管理

為了進(jìn)一步減少元件數(shù)量并提高 AC-DC 電源的性能，使用 InnoSwitch3 PowiGaN IC 的設(shè)計(jì)人員還可以使用互補(bǔ)的 MinE-CAP 大容量電容器小型化和浪涌管理 IC 來實(shí)現(xiàn)非常高的功率密度設(shè)計(jì)（圖 8）。MinE-CAP 可以將輸入大容量電容器的體積最高減少 50%，而且它不需要限制浪涌電流的負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻。MinE-CAP 的使用也降低了輸入橋式整流器和熔斷器的壓力，從而提高了電源的可靠性。

圖 5：MinE-CAP 大容量電容器小型化和浪涌管理 IC 是高密度 AC-DC 電源中InnoSwitch3 離線反激式轉(zhuǎn)換開關(guān) IC 的自然補(bǔ)充。（圖片來源：Power Integrations）

與 InnoSwitch3 IC 一樣，MinE-CAP 利用 PowiGaN 器件的小尺寸和低導(dǎo)通電阻來提高系統(tǒng)性能。MinE-CAP 根據(jù)交流線路電壓條件，自動(dòng)連接和斷開大容量電容器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)部分。這樣設(shè)計(jì)者就能夠使用最小的大容量電容器（圖 8 中的CHV）進(jìn)行高交流線路電壓操作，同時(shí)將大部分能量?jī)?chǔ)存放在較低電壓的電容器(CLV) 中，供低線路電壓條件下使用。由于低電壓電容器比高電壓電容器小得多，使用 MinE-CAP 可以減少大容量輸入電容器的整體尺寸，而效率沒有降低，輸出紋波沒有增加，也不需要重新設(shè)計(jì)電源變壓器。

使用 MinE-CAP 可以減少電源的尺寸，就像增加開關(guān)頻率以縮小變壓器尺寸一樣有效。MinE-CAP解決方案使用了更少的元件，并消除了高頻設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，如變壓器鉗位耗散增加和 EMI 更高。

在線設(shè)計(jì)工具

Power Integrations 還提供一個(gè)叫PI Expert的工具，以加快使用 InnoSwitch3 系列 PowiGaN 集成離線反激式轉(zhuǎn)換開關(guān) IC 的離線反激式電源的設(shè)計(jì)。圍繞著一個(gè)自動(dòng)化的圖形用戶界面 (GUI)，PI Expert 使用電源規(guī)格來自動(dòng)生成一個(gè)電源轉(zhuǎn)換解決方案。它為設(shè)計(jì)者提供了構(gòu)建和測(cè)試一個(gè)原型電源轉(zhuǎn)換器所需的所有細(xì)節(jié)。使用 PI Expert，設(shè)計(jì)師可以在幾分鐘內(nèi)完成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)。

使用基于 PowiGaN 的 InnoSwitch3 IC 進(jìn)行設(shè)計(jì)與使用基于硅的 InnoSwitch3 器件相同。在優(yōu)化 PowiGaN 和硅器件的開關(guān)頻率、EMI 濾波、變壓器設(shè)計(jì)、偏置和同步整流時(shí)，PI Expert 的作用是相同的。該工具自動(dòng)實(shí)現(xiàn)任何必要的更改，以適應(yīng)基于 PowiGaN 的設(shè)計(jì)的高功率要求。該工具會(huì)輸出一個(gè)交互式電路原理圖、完整的 BOM、詳細(xì)電氣參數(shù)以及對(duì)印刷電路板布局的建議。結(jié)果還包括完整的磁設(shè)計(jì)，包括磁芯尺寸、導(dǎo)線厚度、并行導(dǎo)線數(shù)、每個(gè)繞組的匝數(shù)以及機(jī)械裝配的繞組說明。

結(jié)語

對(duì)于應(yīng)用范圍包括 AC-DC 充電器和適配器到工業(yè)系統(tǒng)的離線 100 瓦電源來說，設(shè)計(jì)者面臨著需要提高功率密度，降低成本，以及減少開發(fā)時(shí)間的挑戰(zhàn)。使用 GaN WGB 技術(shù)可以提供幫助，但使用 GaN 設(shè)計(jì)需要仔細(xì)考慮電路板布局以及與高速開關(guān)有關(guān)的其他問題。

如上所述，基于 InnoSwitch3 QR 反激式轉(zhuǎn)換開關(guān) IC 的更多集成方法，能夠讓設(shè)計(jì)者開發(fā)出優(yōu)雅、高效的電源轉(zhuǎn)換器，獲得氮化鎵開關(guān)的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)降低了通常與采用新技術(shù)有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。

使用 InnoSwitch3，結(jié)合 Power Integrations 的 MinE-CAP 浪涌電流管理和大容量電容器微型化 IC，以及該公司的 PI Expert 在線設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)者可以更快速地打造出緊湊、堅(jiān)固、經(jīng)濟(jì)的電源，元器件數(shù)量更少，又符合全球效率標(biāo)準(zhǔn)。

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