【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(qū)動、智能儀表和工業(yè)系統(tǒng)等。對于這些離線反激式電源的設計者來說，面臨的挑戰(zhàn)是如何確保穩(wěn)健性和可靠性，同時繼續(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，設計者可以用基于寬帶隙 (WBG) 技術的器件 (GaN) 來取代硅 (Si) 功率開關。這樣做直接轉化為提高電源效率和減少對散熱器的需求，從而實現(xiàn)更高的功率密度。然而，與硅相比，氮化鎵開關更難驅(qū)動。
設計師可以克服與快速開關速度有關的問題，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)時間和成本。相反，設計者可以轉向高度集成的離線反激式轉換開關 IC，其內(nèi)部裝有氮化鎵功率器件。
本文簡要討論了氮化鎵的優(yōu)勢及其設計挑戰(zhàn)。然后，介紹了Power Integrations的三個帶有內(nèi)部氮化鎵功率開關的集成離線反激式轉換開關 IC 平臺，并說明如何使用它們來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，以及一個有用的在線設計環(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、快速開關速度和高熱導率等優(yōu)勢。使用氮化鎵代替硅，可以制造出在開啟和關閉期間具有更低開關損耗的開關。此外，具有等效導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，氮化鎵功率開關具有較低的綜合傳導損耗和開關損耗（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(zhàn)性。例如，由于 GaN 器件的開關速度極快，驅(qū)動電路布局對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 GaN 器件時可能出現(xiàn)的快速電壓波動 (dv/dt) 和高頻振蕩會產(chǎn)生更多的電磁干擾 (EMI)，需要將其過濾掉以防止轉換器效率降低。另外，氮化鎵器件的快速開關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。
簡潔而不犧牲性能
Power Integrations 通過其準諧振 InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP 和 InnoSwitch3-Pro PowiGaN 轉換開關 IC（圖 2）解決了這些復雜問題。PowiGaN 是 Power Integrations 內(nèi)部開發(fā)的 GaN 電源開關技術，它取代了 InnoSwitch3 離線反激式轉換開關 IC 初級側的傳統(tǒng)硅晶體管。相反，它將初級、次級和反饋電路集成在一個單一表面貼裝器件 (SMD) InSOP-24D 封裝中。這樣一來，這些器件減少了驅(qū)動器布局的復雜性和EMI 的產(chǎn)生，同時也減少了傳導和開關損耗，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計者專注于電源傳輸、熱性能、外形尺寸和其他應用考慮，而不會被具有挑戰(zhàn)性的 GaN 技術所干擾。
圖 2：InnoSwitch3 離線反激式轉換開關 IC 帶有 GaN 開關，采用節(jié)省空間的 InSOP-24D 封裝。（圖片來源：Power Integrations）
采用 PowiGaN 技術的三個 InnoSwitch3 系列針對特定的應用類別進行了優(yōu)化。
● InnoSwitch3-CP 適用于電池充電等應用，可以從恒定的功率曲線中受益。
● InnoSwitch3-EP 適用于一系列消費和工業(yè)應用中的開放式 AC-DC 電源。
● InnoSwitch3-Pro 器件包括一個 I2C 數(shù)字接口，可實現(xiàn)恒壓 (CV) 和恒流 (CC) 設定點、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，在整個負載范圍內(nèi)效率高達 95%，支持精確 CV、CC 和恒定功率 (CP) 輸出，以滿足各種應用需求，并包含無損電流感應技術。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許多分立設計中的 GaN 開關的電阻。
該開關的其他主要特性包括二次側感應、專用同步整流 MOSFET 驅(qū)動器、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(guī)（UL1577 和 TUV（EN60950 和EN62368）安全認證）以及 100% 載荷步的瞬態(tài)響應。
數(shù)字可控的離線 CV/CC QR 反激式轉換開關 IC
多化學和多協(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(diào)整進行精細控制時，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 接口簡化了完全可編程電源的開發(fā)和生產(chǎn)（圖 4）。它能對輸出電流和電壓進行動態(tài)控制。它可以用來配置電源、控制 CV、CC 和 CP 設置點、保護設置，如過壓和欠壓閾值，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（包括傳感線路和 MCU）符合所有全球能源效率要求。
圖 3：InnoSwitch3-Pro IC 包括一個 I2C 接口，用于全數(shù)字控制和監(jiān)測，以及一個集成的 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
針對不需要數(shù)字編程或監(jiān)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 IC 中實現(xiàn)了額定電壓 >4000 VAC 的增強隔離。保護功能包括輸出過壓和過流限制，交流線路過壓和欠壓保護，以及超溫關斷。這些器件具有高抗噪能力，能夠讓設計實現(xiàn) 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）。（圖片來源：Power Integrations）
對于最高 100 瓦的高效反激式轉換器的設計者來說，如要讓設計用于諸如 USB PD、QC 適配器之類應用，就可以使用 InnoSwitch3-CP 器件，如 INN3278C、INN3279C 和 INN3270C（表 2）。這些 QR 轉換開關 IC 具有 CV 和 CC 模式，帶有恒定的電源配置文件，支持鎖存和自動重啟標準組合。電纜掉線補償是一個可選功能。
表 2：用于適配器和開放式設計的 InnoSwitch3-CP 系列額定功率（表格來源：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)。輸出電流感應可通過一個外部電阻調(diào)節(jié)，而 CV/CC 性能非常準確，不受任何外部元件影響。這些 QR 反激式轉換開關 IC 可選擇自動重啟輸出欠壓保護，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 來實現(xiàn)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(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 離線反激式轉換開關 IC 的自然補充。（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，自動連接和斷開大容量電容器網(wǎng)絡的各個部分。這樣設計者就能夠使用最小的大容量電容器（圖 8 中的 CHV）進行高交流線路電壓操作，同時將大部分能量儲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，也不需要重新設計電源變壓器。
使用 MinE-CAP 可以減少電源的尺寸，就像增加開關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(zhàn)，如變壓器鉗位耗散增加和 EMI 更高。
在線設計工具
Power Integrations 還提供一個叫 PI Expert 的工具，以加快使用 InnoSwitch3 系列 PowiGaN 集成離線反激式轉換開關 IC 的離線反激式電源的設計。圍繞著一個自動化的圖形用戶界面 (GUI)，PI Expert 使用電源規(guī)格來自動生成一個電源轉換解決方案。它為設計者提供了構建和測試一個原型電源轉換器所需的所有細節(jié)。使用 PI Expert，設計師可以在幾分鐘內(nèi)完成一個完整的設計。
使用基于 PowiGaN 的 InnoSwitch3 IC 進行設計與使用基于硅的 InnoSwitch3 器件相同。在優(yōu)化 PowiGaN 和硅器件的開關頻率、EMI 濾波、變壓器設計、偏置和同步整流時，PI Expert 的作用是相同的。該工具自動實現(xiàn)任何必要的更改，以適應基于 PowiGaN 的設計的高功率要求。該工具會輸出一個交互式電路原理圖、完整的 BOM、詳細電氣參數(shù)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、導線厚度、并行導線數(shù)、每個繞組的匝數(shù)以及機械裝配的繞組說明。
結語
對于應用范圍包括 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，設計者面臨著需要提高功率密度，降低成本，以及減少開發(fā)時間的挑戰(zhàn)。使用 GaN WGB 技術可以提供幫助，但使用 GaN 設計需要仔細考慮電路板布局以及與高速開關有關的其他問題。
如上所述，基于 InnoSwitch3 QR 反激式轉換開關 IC 的更多集成方法，能夠讓設計者開發(fā)出優(yōu)雅、高效的電源轉換器，獲得氮化鎵開關的性能優(yōu)勢，同時降低了通常與采用新技術有關的風險。
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(shù)量更少，又符合全球效率標準。
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