PI InnoSwitch3系列反激式開(kāi)關(guān)IC新品性能、參考設(shè)計(jì)及上手測(cè)評(píng)

文章轉(zhuǎn)載自電子工程世界

今年PI InnoSwitch3系列反激式開(kāi)關(guān)IC再添新品，“900V耐壓”和“100W輸出功率”非常吸引眼光。本次，我們將從新品性能、參考設(shè)計(jì)以及Demo測(cè)評(píng)三個(gè)角度，初步認(rèn)識(shí)本次新品。

新品性能

本次新品具體為針對(duì)家電和工業(yè)應(yīng)用的EP系列INN3690C，以及針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用的AQ系列INN3990CQ。INN3690C/INN3990CQ具備擊穿電壓高達(dá)900V的PowiGaN，特別適用于400V母線(xiàn)系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用，并且可以在超過(guò)93%的效率下輸出高達(dá)100W的功率。

InnoSwitch3-EP系列的INN3690C與InnoSwitch3-AQ系列的INN3990CQ參數(shù)接近，主要差別在于INN3990CQ符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，適用于車(chē)規(guī)級(jí)應(yīng)用。本次，我們以INN3690C為例進(jìn)行說(shuō)明，相關(guān)說(shuō)明也適用于INN3990CQ。

首先，我們將要了解InnoSwitch3-EP系列的主要特性，INN3690C的特性及典型應(yīng)用。

圖1-1 InnoSwitch3-EP典型應(yīng)用原理圖

如圖1-1所示，相較于其他電源方案，該系列方案具備幾大優(yōu)勢(shì)：

高集成度：PI將初級(jí)的高壓開(kāi)關(guān)以及次級(jí)的控制電路集成到同一個(gè)緊湊的封裝內(nèi)部，同時(shí)具備高達(dá)4000VAC的隔離電壓要求，目前沒(méi)有其他廠家可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的技術(shù)。InnoSwitch3-EP同時(shí)集成了次級(jí)檢測(cè)以及同步整流驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)一步降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度并提高了電源效率。

高輸出功率以及高效率：以INN3690C為例，其可以在超過(guò)93%的效率下輸出高達(dá)100W的功率。能夠有效縮小散熱器尺寸，甚至完全省去散熱器，僅靠PCB板進(jìn)行散熱。

優(yōu)良的輸出控制性能：InnoSwitch3-EP次級(jí)可以采用多路加權(quán)反饋方式及同步整流，提供出色的多路輸出交叉調(diào)整率。具備優(yōu)異的恒壓、恒流精度。

高效節(jié)能：空載功耗低至30mW，輕松符合全球所有能效標(biāo)準(zhǔn)。

先進(jìn)的保護(hù)/安全特性：具備SR FET-gate柵極開(kāi)路檢測(cè)功能、快速的輸入欠壓過(guò)壓保護(hù)、輸出過(guò)壓故障進(jìn)入自動(dòng)重啟保護(hù)工作狀態(tài)等保護(hù)措施。集成的725V/750V/900V額定電壓開(kāi)關(guān)，可以為工業(yè)電源等不同高壓應(yīng)用保持額外的安全余量。

圖1-2 InnoSwitch3-EP器件輸出功率表

通過(guò)圖1-2可以看到INN3690C的特殊之處：在輸出功率100W的所有器件中，具備高達(dá)900V的GaN開(kāi)關(guān)。

首先，我們需要考慮一下為什么電源需要高達(dá)900V的GaN開(kāi)關(guān)？這里推薦PI 技術(shù)外展總監(jiān)Andy Smith的視頻。概括來(lái)說(shuō)，在反激式功率變換器中，初級(jí)的功率開(kāi)關(guān)上的電壓應(yīng)力取決于3個(gè)方面：VDC，即電路的輸入電壓；VOR，即輸出電壓反射至初級(jí)的電壓；VLE，即功率變壓器當(dāng)中的漏感儲(chǔ)能。上述3個(gè)電壓會(huì)疊加起來(lái)，構(gòu)成初級(jí)功率開(kāi)關(guān)上的應(yīng)力。如圖1-3所示。

圖1-3 反激變換器中初級(jí)功率開(kāi)關(guān)上的應(yīng)力構(gòu)成

對(duì)應(yīng)力構(gòu)成帶入數(shù)值進(jìn)行分析，可以得到如圖1-4的結(jié)果?？梢钥吹?，在考慮20%安全設(shè)計(jì)余量的基礎(chǔ)上，初級(jí)功率開(kāi)關(guān)的耐壓值需要達(dá)到860V。因此，900V耐壓的初級(jí)功率開(kāi)關(guān)，可以很好地滿(mǎn)足這些需求。

圖1-4 反激變換器中初級(jí)功率開(kāi)關(guān)上的應(yīng)力數(shù)值分析

PI目前已經(jīng)有基于硅技術(shù)的900V耐壓的產(chǎn)品，但是由于硅晶體管的開(kāi)關(guān)損耗較大，同時(shí)硅技術(shù)的晶圓尺寸較大，因此其功率等級(jí)大約限制在30W。對(duì)應(yīng)的750V耐壓的GaN器件則可以輕松滿(mǎn)足100W的輸出功率要求。隨著汽車(chē)電子、工業(yè)、消費(fèi)和商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展升級(jí)，對(duì)更高輸入電壓的輔助電源的功率需求也一直在不斷提高，因此，PI推出的900V GaN系列產(chǎn)品，完美填補(bǔ)了這一塊市場(chǎng)需求。

目前新能源汽車(chē)發(fā)展迅速，PI針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用的AQ系列的INN3990CQ產(chǎn)品，也為這個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了一次創(chuàng)新機(jī)會(huì)。在目前的新能源汽車(chē)中，仍普遍存在12V鉛酸電池，其主要功能為在汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)未啟動(dòng)時(shí)，為安全系統(tǒng)如門(mén)鎖、防盜等進(jìn)行供電。目前的主要架構(gòu)是高壓動(dòng)力電池通過(guò)DCDC變換器對(duì)12V電池進(jìn)行充電，再由12V電池對(duì)安全系統(tǒng)等負(fù)載進(jìn)行供電。如果使用PI的INN3990CQ等器件，則可以直接將動(dòng)力電池電壓轉(zhuǎn)換為12V電源軌，構(gòu)成一個(gè)虛擬的12V蓄電池。這樣帶來(lái)的顯著優(yōu)點(diǎn)有：效率高，顯著減重，該電源的性能也會(huì)優(yōu)于12V電池，大大延長(zhǎng)了汽車(chē)停止行駛期間的待機(jī)時(shí)間。

參考設(shè)計(jì)

除產(chǎn)品外，PI開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)支持工具以及參考設(shè)計(jì)等也完善易用。PI Expert電源設(shè)計(jì)軟件可以根據(jù)用戶(hù)輸入?yún)?shù)自動(dòng)生成電源方案，給出構(gòu)建和測(cè)試原型機(jī)的必要信息。針對(duì)典型的客戶(hù)應(yīng)用，PI通常都會(huì)提供相應(yīng)的評(píng)估板，并附帶全面的測(cè)試信息。

針對(duì)本次推出的InnoSwitch3-AQ INN3990CQ芯片，PI提供了參考設(shè)計(jì)DER-953Q，如圖2-1所示。注意，當(dāng)前PI提供的實(shí)際參考設(shè)計(jì)板卡與此有差異：移除了圖中輸入端的共模電感。其主要用于汽車(chē)中μDC-DC變換器的參考應(yīng)用。

DER-953Q有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.超緊湊設(shè)計(jì)，高度低于22mm，僅有66個(gè)元件；

2.在150VDC-500VDC下可以滿(mǎn)載運(yùn)行，輸出效率均≥92%；

3.支持在-40 °C至85 °C環(huán)境溫度下運(yùn)行；

4.使用汽車(chē)級(jí)AEC-Q標(biāo)貼元件；

5.增強(qiáng)型500V隔離變壓器，符合IEC-60664-1和IEC-60664-4標(biāo)準(zhǔn)。

圖2-1 DER-953Q參考設(shè)計(jì)

DER-953Q參考設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容詳盡，包含了設(shè)計(jì)規(guī)格、原理圖及說(shuō)明、PCB、BOM、變壓器規(guī)格以及設(shè)計(jì)、性能數(shù)據(jù)、熱性能、波形等。以下，我們重點(diǎn)看下如下幾個(gè)部分。

DER-953Q設(shè)計(jì)規(guī)格如圖2-2所示?？梢钥吹?，其輸入范圍為150V-500V，輸出電壓為13.5V，輸出電流為7.35A。紋波最大值為270mV(2% Vout)，動(dòng)態(tài)負(fù)載下過(guò)沖和下沖最大值為450mV(3.3% Vout)。適用于將高壓的400V動(dòng)力母線(xiàn)電池電壓變換為12V母線(xiàn)電壓，給車(chē)內(nèi)的低壓負(fù)載供電。

圖2-2 DER-953Q設(shè)計(jì)規(guī)格

DER-953Q的功率級(jí)部分原理圖如圖2-3所示。總體來(lái)看，因?yàn)镮nnoSwitch3的高集成度，電路設(shè)計(jì)保持了PI一貫的簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)風(fēng)格。

圖2-3 DER-953Q功率級(jí)電路圖

從高壓側(cè)看，變壓器的原邊連接到INN3990CQ高壓側(cè)功率開(kāi)關(guān)，且具有RCD吸收電路來(lái)限制高壓FET關(guān)斷時(shí)候的DS端電壓峰值。變壓器的輔助繞組對(duì)INN3990CQ進(jìn)行供電。

從低壓側(cè)看，INN3990CQ主要功能是電壓測(cè)量、電流測(cè)量以及SR FET的驅(qū)動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中，2顆MOSFET并聯(lián)使用作為SR FET，對(duì)于7.35A的高電流輸出，可以降低散熱壓力。SR FET上還并聯(lián)有RC吸收電路以抑制高頻震蕩。

FB為INN3990CQ的電壓反饋引腳，R113和R114構(gòu)成基礎(chǔ)電壓反饋，ATL431部分電路構(gòu)成精確電壓調(diào)整（Precision Voltage Regulation, PVR）反饋。由于PI獨(dú)有的FluxLink反饋技術(shù)，可以直接測(cè)量低壓側(cè)電壓進(jìn)行反饋，而不是傳統(tǒng)的通過(guò)光耦反饋的方式，可以極大提升低壓側(cè)輸出電壓精度。

IS為INN3990CQ的電流反饋引腳，R109、R110和R111為電流采樣電阻。保證在故障發(fā)生時(shí)，電源有足夠的過(guò)載保護(hù)能力，從而保護(hù)電源及負(fù)載的使用安全。

DER-953Q采用了6層板設(shè)計(jì)，相關(guān)設(shè)計(jì)文件均可以在PI官網(wǎng)獲得。除元件BOM之外，PI還提供了本設(shè)計(jì)的變壓器設(shè)計(jì)文檔。

PI對(duì)DER-953Q進(jìn)行了詳盡的測(cè)試，我們來(lái)看一下幾項(xiàng)主要的測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖2-4展示了DER-953Q的效率表現(xiàn)，可以看到達(dá)到50%負(fù)載后，在全部輸入電壓下，電源的效率均高于92%。隨著輸入電壓的降低，其效率表現(xiàn)將會(huì)稍有提升。

圖2-4 不同輸入電壓下效率vs負(fù)載率（環(huán)境溫度85 °C）

圖2-5展示了DER-953Q的熱性能，可以看到在最低輸入電壓下，INN3990CQ具備最大的熱應(yīng)力，溫度已經(jīng)達(dá)到124°C，已經(jīng)非常接近125°C的限制。這也部分是由于85度環(huán)境溫度的原因造成的。因此在用戶(hù)實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要給芯片的SOURCE引腳提供足夠大的銅皮進(jìn)行散熱。對(duì)于有更嚴(yán)酷環(huán)境溫度要求的應(yīng)用，可以考慮將PCB板的熱量通過(guò)外加導(dǎo)熱墊的方式，將熱量傳導(dǎo)至整機(jī)部件的金屬外殼上進(jìn)行冷卻散熱。

圖2-5 元件溫度（環(huán)境溫度85 °C）

圖2-6展示了INN3990CQ內(nèi)部高壓FET以及SR FET的電壓應(yīng)力?？梢钥吹剑?00V輸入電壓下，INN3990CQ內(nèi)部高壓FET應(yīng)力也僅達(dá)到900V額定耐壓值的80%，留有充分的電壓裕量。這也充分體現(xiàn)了900V耐壓的重要性。

圖2-6 電壓應(yīng)力（環(huán)境溫度85 °C）

圖2-7展示了DER-953Q的動(dòng)態(tài)性能?？梢钥吹皆谌繙y(cè)試中，電壓變化不超過(guò)450mV(3.3% Vout)，說(shuō)明其動(dòng)態(tài)性能極佳。而在傳統(tǒng)方案或者初級(jí)穩(wěn)壓方式的方案當(dāng)中，需要使用很大容量的輸出電容來(lái)滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)負(fù)載變化引起的穩(wěn)壓精度的要求。對(duì)于具有快速響應(yīng)特性的INN3990CQ方案而言，則可以使用小得多的輸出電容容量。這不但可以節(jié)省空間，還可以降低成本，同時(shí)增加整體電源的使用壽命和可靠性。

圖2-7 負(fù)載變化響應(yīng)（環(huán)境溫度85 °C）

上手測(cè)評(píng)

本次測(cè)評(píng)也對(duì)DER-953Q進(jìn)行了簡(jiǎn)單的測(cè)試，由于測(cè)試條件限制，主要進(jìn)行了電壓輸出精度、紋波以及負(fù)載變化響應(yīng)的測(cè)試。

表2-8展示了DER-953Q輸出精度。可以看到其負(fù)載調(diào)整率的表現(xiàn)極佳。

表2-8 電壓輸出精度（環(huán)境溫度25 °C）

圖2-9和圖2-10分別展示了150VDC和380VDC輸入電壓下，在0A，3.75A和7.35A負(fù)載下的紋波表現(xiàn)?？梢钥吹剑瑴y(cè)量到的最大紋波僅為141mV。

圖2-9 150VDC輸入電壓下紋波（環(huán)境溫度25°C）

圖2-10 380VDC輸入電壓下紋波（環(huán)境溫度25°C）

圖2-11和圖2-12分別展示了150VDC和380VDC輸入電壓下，在0A至7A（95%）和7A（95%）至0A負(fù)載變化下的輸出電壓變化?？梢钥吹剑畲蟮妮敵鲭妷翰▌?dòng)為435mV。

圖2-11 150VDC輸入電壓下對(duì)負(fù)載變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)（環(huán)境溫度25°C）

圖2-12 380VDC輸入電壓下對(duì)負(fù)載變化動(dòng)態(tài)相應(yīng)（環(huán)境溫度25°C）

總結(jié)

PI本次芯片的核心競(jìng)爭(zhēng)力：900V耐壓的GaN初級(jí)FET，能提供高達(dá)100W的輸出功率?？傮w來(lái)說(shuō)，PI本次新品具備優(yōu)秀的性能指標(biāo)，同時(shí)官網(wǎng)還有豐富詳實(shí)的設(shè)計(jì)資源，便于用戶(hù)快速評(píng)估設(shè)計(jì)。相信這些新品會(huì)再次引領(lǐng)反激變換器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)革新。給高輸入電壓的應(yīng)用及市場(chǎng)火爆的汽車(chē)電子應(yīng)用帶來(lái)新的選擇。

審核編輯：湯梓紅