【導讀】緊湊型 100 瓦電源的應用范圍不斷增加，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、電機驅動(dòng)、智能儀表和工業(yè)系統等。對于這些離線(xiàn)反激式電源的設計者來(lái)說(shuō)，面臨的挑戰是如何確保穩健性和可靠性，同時(shí)繼續降低成本，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(wèn)題，設計者可以用基于寬帶隙 (WBG) 技術(shù)的器件 (GaN) 來(lái)取代硅 (Si) 功率開(kāi)關(guān)。這樣做直接轉化為提高電源效率和減少對散熱器的需求，從而實(shí)現更高的功率密度。然而，與硅相比，氮化鎵開(kāi)關(guān)更難驅動(dòng)。
設計師可以克服與快速開(kāi)關(guān)速度有關(guān)的問(wèn)題，如雜散電感和電容以及高頻振蕩，但這樣做需要增加開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。相反，設計者可以轉向高度集成的離線(xiàn)反激式轉換開(kāi)關(guān) IC，其內部裝有氮化鎵功率器件。
本文簡(jiǎn)要討論了氮化鎵的優(yōu)勢及其設計挑戰。然后，介紹了Power Integrations的三個(gè)帶有內部氮化鎵功率開(kāi)關(guān)的集成離線(xiàn)反激式轉換開(kāi)關(guān) IC 平臺，并說(shuō)明如何使用它們來(lái)制作高效率的電源轉換器設計。最后討論了互補的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(xiàn)設計環(huán)境。
什么是 GaN，它有什么好處？
GaN（氮化鎵）是一種 WBG 半導體材料，與硅相比，它具有低“導通”電阻、高擊穿強度、快速開(kāi)關(guān)速度和高熱導率等優(yōu)勢。使用氮化鎵代替硅，可以制造出在開(kāi)啟和關(guān)閉期間具有更低開(kāi)關(guān)損耗的開(kāi)關(guān)。此外，具有等效導通電阻的氮化鎵器件比它們的同類(lèi)產(chǎn)品小得多。因此，在既定芯片尺寸下，氮化鎵功率開(kāi)關(guān)具有較低的綜合傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗（圖 1）。
圖 1：在給定的芯片尺寸下，與硅 MOSFET 相比，GaN 器件的導通電阻更低，導致總損耗更低。（圖片來(lái)源：Power Integrations）
雖然氮化鎵具有明顯的優(yōu)勢，但它在設計上可能具有挑戰性。例如，由于 GaN 器件的開(kāi)關(guān)速度極快，驅動(dòng)電路布局對來(lái)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。驅動(dòng) GaN 器件時(shí)可能出現的快速電壓波動(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(guò)濾掉以防止轉換器效率降低。另外，氮化鎵器件的快速開(kāi)關(guān)特性使得保護它們不受故障條件的影響變得很困難，因為它們損壞器件的速度比保護電路的反應還要快。
簡(jiǎn)潔而不犧牲性能
Power Integrations 通過(guò)其準諧振 InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP 和 InnoSwitch3-Pro PowiGaN 轉換開(kāi)關(guān) IC（圖 2）解決了這些復雜問(wèn)題。PowiGaN 是 Power Integrations 內部開(kāi)發(fā)的 GaN 電源開(kāi)關(guān)技術(shù)，它取代了 InnoSwitch3 離線(xiàn)反激式轉換開(kāi)關(guān) IC 初級側的傳統硅晶體管。相反，它將初級、次級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(lái)，這些器件減少了驅動(dòng)器布局的復雜性和EMI 的產(chǎn)生，同時(shí)也減少了傳導和開(kāi)關(guān)損耗，使得適配器和充電器以及開(kāi)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計者專(zhuān)注于電源傳輸、熱性能、外形尺寸和其他應用考慮，而不會(huì )被具有挑戰性的 GaN 技術(shù)所干擾。
圖 2：InnoSwitch3 離線(xiàn)反激式轉換開(kāi)關(guān) IC 帶有 GaN 開(kāi)關(guān)，采用節省空間的 InSOP-24D 封裝。（圖片來(lái)源：Power Integrations）
采用 PowiGaN 技術(shù)的三個(gè) InnoSwitch3 系列針對特定的應用類(lèi)別進(jìn)行了優(yōu)化。
● InnoSwitch3-CP 適用于電池充電等應用，可以從恒定的功率曲線(xiàn)中受益。
● InnoSwitch3-EP 適用于一系列消費和工業(yè)應用中的開(kāi)放式 AC-DC 電源。
● InnoSwitch3-Pro 器件包括一個(gè) I2C 數字接口，可實(shí)現恒壓 (CV) 和恒流 (CC) 設定點(diǎn)、安全模式選項和異常處理的軟件控制。
InnoSwitch3 IC 具有準諧振控制功能，在整個(gè)負載范圍內效率高達 95%，支持精確 CV、CC 和恒定功率 (CP) 輸出，以滿(mǎn)足各種應用需求，并包含無(wú)損電流感應技術(shù)。后者消除了對降低效率的外部電流感應電阻的需要，這些電阻甚至可以超過(guò)許多分立設計中的 GaN 開(kāi)關(guān)的電阻。
該開(kāi)關(guān)的其他主要特性包括二次側感應、專(zhuān)用同步整流 MOSFET 驅動(dòng)器、一次側和二次側控制器間的集成 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（UL1577 和 TUV（EN60950 和EN62368）安全認證）以及 100% 載荷步的瞬態(tài)響應。
數字可控的離線(xiàn) CV/CC QR 反激式轉換開(kāi)關(guān) IC
多化學(xué)和多協(xié)議電池充電器、可調 CV 和 CC LED 鎮流器、高效USB PD 3.0+ 可編程電源 (PPS)、QC 適配器和類(lèi)似應用的設計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 90 瓦的 AC-DC 適配器和高達 100 瓦的開(kāi)放式框架 AC-DC 電源的 INN3378C、INN3379C 和 INN3370C（表 1）。當需要對輸出電流和電壓調整進(jìn)行精細控制時(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(lái)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(kāi)發(fā)和生產(chǎn)（圖 4）。它能對輸出電流和電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。它可以用來(lái)配置電源、控制 CV、CC 和 CP 設置點(diǎn)、保護設置，如過(guò)壓和欠壓閾值，并處理故障報告。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(xiàn)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，用于全數字控制和監測，以及一個(gè)集成的 3.6 伏電源 (uVCC)，為外部MCU 供電。（圖片來(lái)源：Power Integrations）
硬件可配置解決方案
針對不需要數字編程或監控的應用，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)現了額定電壓 >4000 VAC 的增強隔離。保護功能包括輸出過(guò)壓和過(guò)流限制，交流線(xiàn)路過(guò)壓和欠壓保護，以及超溫關(guān)斷。這些器件具有高抗噪能力，能夠讓設計實(shí)現 EN61000-4 "A" 級性能水平。
圖 4：顯示的是 InnoSwitch3-CP 的典型應用，在一次側和二次側控制器之間有 FluxLink 電感耦合反饋連接（虛線(xiàn)）。（圖片來(lái)源：Power Integrations）
對于最高 100 瓦的高效反激式轉換器的設計者來(lái)說(shuō)，如要讓設計用于諸如 USB PD、QC 適配器之類(lèi)應用，就可以使用 InnoSwitch3-CP 器件，如 INN3278C、INN3279C 和 INN3270C（表 2）。這些 QR 轉換開(kāi)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)重啟標準組合。電纜掉線(xiàn)補償是一個(gè)可選功能。
表 2：用于適配器和開(kāi)放式設計的 InnoSwitch3-CP 系列額定功率（表格來(lái)源：Power Integrations）
對于像水電氣表、工業(yè)和智能電網(wǎng)電源、白色家電的待機和偏置電源、消費產(chǎn)品以及不使用恒定功率操作的計算機這樣的應用，設計人員可選擇的 InnoSwitch3-EP 器件如 INN3678C、INN3679C 和 INN3670C（表 3）。
表 3：InnoSwitch3-EP IC 在 230 VAC ±15% 電壓實(shí)現全額定功率，在 85 至 265 VAC 的寬輸入范圍內則降額輸出。（表格來(lái)源：Power Integrations）
InnoSwitch3-EP 器件支持良好的多輸出交叉調節。輸出電流感應可通過(guò)一個(gè)外部電阻調節，而 CV/CC 性能非常準確，不受任何外部元件影響。這些 QR 反激式轉換開(kāi)關(guān) IC 可選擇自動(dòng)重啟輸出欠壓保護，并可訂購標準或峰值功率傳輸選項。
大容量電容器的小型化和浪涌管理
為了進(jìn)一步減少元件數量并提高 AC-DC 電源的性能，使用 InnoSwitch3 PowiGaN IC 的設計人員還可以使用互補的 MinE-CAP 大容量電容器小型化和浪涌管理 IC 來(lái)實(shí)現非常高的功率密度設計（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溫度系數 (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(xiàn)反激式轉換開(kāi)關(guān) IC 的自然補充。（圖片來(lái)源：Power Integrations）
與 InnoSwitch3 IC 一樣，MinE-CAP 利用 PowiGaN 器件的小尺寸和低導通電阻來(lái)提高系統性能。MinE-CAP 根據交流線(xiàn)路電壓條件，自動(dòng)連接和斷開(kāi)大容量電容器網(wǎng)絡(luò )的各個(gè)部分。這樣設計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(xiàn)路電壓操作，同時(shí)將大部分能量?jì)Υ娣旁谳^低電壓的電容器(CLV) 中，供低線(xiàn)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(méi)有降低，輸出紋波沒(méi)有增加，也不需要重新設計電源變壓器。
使用 MinE-CAP 可以減少電源的尺寸，就像增加開(kāi)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，并消除了高頻設計的挑戰，如變壓器鉗位耗散增加和 EMI 更高。
在線(xiàn)設計工具
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(xiàn)反激式轉換開(kāi)關(guān) IC 的離線(xiàn)反激式電源的設計。圍繞著(zhù)一個(gè)自動(dòng)化的圖形用戶(hù)界面 (GUI)，PI Expert 使用電源規格來(lái)自動(dòng)生成一個(gè)電源轉換解決方案。它為設計者提供了構建和測試一個(gè)原型電源轉換器所需的所有細節。使用 PI Expert，設計師可以在幾分鐘內完成一個(gè)完整的設計。
使用基于 PowiGaN 的 InnoSwitch3 IC 進(jìn)行設計與使用基于硅的 InnoSwitch3 器件相同。在優(yōu)化 PowiGaN 和硅器件的開(kāi)關(guān)頻率、EMI 濾波、變壓器設計、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)現任何必要的更改，以適應基于 PowiGaN 的設計的高功率要求。該工具會(huì )輸出一個(gè)交互式電路原理圖、完整的 BOM、詳細電氣參數以及對印刷電路板布局的建議。結果還包括完整的磁設計，包括磁芯尺寸、導線(xiàn)厚度、并行導線(xiàn)數、每個(gè)繞組的匝數以及機械裝配的繞組說(shuō)明。
結語(yǔ)
對于應用范圍包括 AC-DC 充電器和適配器到工業(yè)系統的離線(xiàn) 100 瓦電源來(lái)說(shuō)，設計者面臨著(zhù)需要提高功率密度，降低成本，以及減少開(kāi)發(fā)時(shí)間的挑戰。使用 GaN WGB 技術(shù)可以提供幫助，但使用 GaN 設計需要仔細考慮電路板布局以及與高速開(kāi)關(guān)有關(guān)的其他問(wèn)題。
如上所述，基于 InnoSwitch3 QR 反激式轉換開(kāi)關(guān) IC 的更多集成方法，能夠讓設計者開(kāi)發(fā)出優(yōu)雅、高效的電源轉換器，獲得氮化鎵開(kāi)關(guān)的性能優(yōu)勢，同時(shí)降低了通常與采用新技術(shù)有關(guān)的風(fēng)險。
使用 InnoSwitch3，結合 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(xiàn)設計工具，設計者可以更快速地打造出緊湊、堅固、經(jīng)濟的電源，元器件數量更少，又符合全球效率標準。
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