Hvis der er uklarheder i denne artikel, bedes du se den originale engelske version.

Sådan bruges integrerede GaN-switche til omkostningseffektive offline strømforsyninger med høj effektivitet

Af Jeff Shepard

Bidraget af Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Anvendelsesområdet for kompakte strømforsyninger på 100 watt fortsætter med at vokse, lige fra AC/DC-opladere og adaptere, USB Power Delivery (PD)-opladere og QC-adaptere (quick charge) til LED-belysning, hvidevarer, motordrev, intelligente målere og industrielle systemer. For designere af disse offline flyback-strømforsyninger er udfordringen at sikre robusthed og pålidelighed, samtidig med at de fortsat skal sænke omkostningerne, forbedre effektiviteten og reducere formfaktoren for at opnå højere effekttæthed.

For at løse mange af disse problemer kan designere erstatte silicium (Si)-strømkontakter med enheder baseret på WBG-teknologier (wide bandgap) som f.eks. galliumnitrid (GaN). Dette medfører direkte forbedret effektivitet af strømforsyninger og reduceret behov for køleprofilering, hvilket giver mulighed for højere effekttæthed. I forhold til Si er GaN-switche imidlertid vanskeligere at drive.

Designere kan løse de problemer, der er forbundet med høje koblingshastigheder, f.eks. strøminduktans og -kapacitet og højfrekvente svingninger, men det kræver ekstra udviklingstid og omkostninger. I stedet kan designere benytte højt integrerede offline flyback-switch IC'er med interne GaN strømforsynings-enheder.

I denne artikel diskuteres kort fordelene ved GaN og dets designudfordringer. Derefter introduceres tre integrerede offline flyback-switch-IC-platforme med interne GaN-strømskoblere fra Power Integrations og viser, hvordan de kan bruges til at fremstille højeffektive design af strømkonvertere. Supplerende MinE-CAP miniaturisering af bulk-kondensatorer og IC'er til styring af indstrømning diskuteres, ligesom et nyttigt online designmiljø.

Hvad er GaN, og hvad er der så godt ved det?

GaN er et WBG-halvledermateriale, der sammenlignet med Si har lav "on"-modstand, høj nedbrydningsstyrke, hurtige koblingshastigheder og høj termisk ledningsevne. Ved at bruge GaN i stedet for Si kan man fremstille switche, der har meget lavere koblingstab ved tænding og slukning. Desuden er GaN-enheder med tilsvarende on-modstand meget mindre end deres Si-modstykker. Som følge heraf har en GaN-strømskontakt for en given dørstørrelse lavere kombinerede ledningstab og koblingstab (Figur 1).

Graf af GaN-enheder har lavere modstandFigur 1: For en given matrise-størrelse har GaN-enheder en lavere on-resistance, hvilket fører til lavere samlede tab sammenlignet med Si MOSFET'er. (Billedkilde: Power Integrations)

GaN har klare fordele, men det kan være en udfordring at designe det. På grund af GaN-enhedernes ekstremt hurtige koblingshastigheder kan f.eks. layoutet af drevkredsløb være meget følsomt over for strøminduktanser og kapacitanser fra printkortet og fra diskrete GaN-pakker. De hurtige spændingsudsving (dv/dt) og højfrekvente svingninger, der kan forekomme ved drift af GaN-enheder, skaber mere elektromagnetisk interferens (EMI), som skal filtreres fra for at forhindre en reduktion af konverterens effektivitet. GaN-enhedernes hurtige skift gør det også vanskeligt at beskytte dem mod fejl, da de kan beskadige enhederne hurtigere, end beskyttelseskredsløb kan reagere.

Enkelhed uden at gå på kompromis med ydeevnen

Power Integrations har løst disse komplekse problemer med sine kvasiresonante InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP og InnoSwitch3-Pro PowiGaN-switch-IC'er (figur 2). PowiGaN er Power Integrations internt udviklede GaN-strømskontakterteknologi, som erstatter de traditionelle siliciumtransistorer på primærsiden af InnoSwitch3 offline flyback-switch-IC'erne. I stedet integrerer den primære, sekundære og feedback-kredsløb i en enkelt SMD-inSOP-24D-pakning (Surface Mount Device). På denne måde reducerer enhederne kompleksiteten af driverlayoutet og EMI-generering, samtidig med at de reducerer lednings- og koblingstab, hvilket muliggør mere effektive, lettere og mindre adaptere og opladere samt strømforsyninger med open-frame.

Ved at bruge denne fremgangsmåde kan designere af strømforsyninger fokusere på strømforsyning, termisk ydeevne, formfaktorer og andre anvendelsesovervejelser uden at blive distraheret af den udfordrende GaN-teknologi.

Billede af Power Integrations InnoSwitch3 offline flyback-switch IC'er med GaN-switcheFigur 2: InnoSwitch3 offline flyback-switch-IC'er med GaN-switche leveres i den pladsbesparende InSOP-24D-pakning. (Billedkilde: Power Integrations)

De tre InnoSwitch3-familier med PowiGaN-teknologi er optimeret til specifikke klasser af applikationer:

  • InnoSwitch3-CP er beregnet til applikationer som f.eks. batteriopladning, der kan drage fordel af en konstant strømprofil.
  • InnoSwitch3-EP er beregnet til AC/DC-strømforsyninger med open-frame i en række forbruger- og industriapplikationer.
  • InnoSwitch3-Pro-enheder omfatter en I²C digital interface til softwarekontrol af konstant spænding (CV) og konstant strøm (CC) setpoints, indstillinger af sikkerhedstilstand og håndtering af undtagelser.

InnoSwitch3-IC'erne har kvasiresonant kontrol, op til 95 % effektivitet over hele belastningsområdet, understøtter nøjagtige CV-, CC- og CP-udgange (konstant effekt) for at opfylde en række forskellige applikationskrav og omfatter tabsfri strømsensor-teknologi. Sidstnævnte eliminerer behovet for eksterne strømsensormodstande, der reducerer effektiviteten, og som endda kan overstige modstanden for mange GaN-switche i diskrete designs.

Andre vigtige egenskaber ved kontakterne omfatter aftastning af sekundærsiden, en dedikeret driver til en MOSFET med synkron ensretning, integreret FluxLink-induktiv koblingsfeedbackforbindelse mellem controllerne på primærsiden og sekundærsiden med >4.000 volt vekselstrøm (VAC) isolation, overholdelse af globale krav til energieffektivitet, lav EMI, sikkerhed og overholdelse af lovgivningen (UL1577 og TUV (EN60950 og EN62368) sikkerhedsgodkendt) og øjeblikkelig transient respons ved 100 % belastningstrin.

Digitalt styrbare offline CV/CC QR flyback-switch IC'er med digital styring

Designere af batteriopladere med flere kemikalier og flere protokoller, justerbare CV- og CC LED-ballaster, højeffektive USB PD 3.0+ programmerbare strømforsyninger (PPS), QC-adaptere og lignende applikationer kan drage fordel af at bruge de fuldt programmerbare InnoSwitch3-Pro IC'er, herunder INN3378C, INN3379C og INN3370C, der kan bruges i AC/DC-adaptere, der leverer op til 90 watt, og AC/DC-strømforsyninger med open-frame på op til 100 watt (tabel 1). Disse enheder er også nyttige, når der er behov for finjustering af udgangsstrøm og spænding (10 millivolt (mV) og 50 milliampere (mA) trin understøttes).

Tabel over InnoSwitch3-Pro IC'erTabel 1: InnoSwitch3-Pro IC'er er beregnet til drift med 230 VAC ±15 % input og 85 til 265 VAC input. (Kilde til tabellen: Power Integrations)

I²C-interfacet i InnoSwitch3-Pro-enhederne forenkler udviklingen og produktionen af fuldt programmerbare strømforsyninger (Figur 4). Det giver mulighed for dynamisk styring af udgangsstrøm og -spænding. Den kan bruges til at konfigurere strømforsyningen, CV-, CC- og CP-sætpunkterne for styring, beskyttelsesindstillinger som f.eks. over- og underspændingsgrænser og til at håndtere rapportering af fejl. Den integrerede 3,6 volt forsyning kan bruges til at forsyne en ekstern mikrocontroller (MCU). Desuden opfylder det <30 milliwatt (mW) strømforbrug uden belastning (inklusive sense line og MCU) alle globale krav til energieffektivitet.

Diagram over Power Integrations InnoSwitch3-Pro IC'er omfatter en I²C-interfaceFigur 3: InnoSwitch3-Pro-IC'erne omfatter en I²C-interface til fuld digital styring og overvågning og en integreret 3,6 volt forsyning (uVCC) til at forsyne en ekstern MCU med strøm. (Billedkilde: Power Integrations)

Løsninger med konfigurerbar hardware

Til applikationer, der ikke kræver digital programmerbarhed eller overvågning, tilbyder Power Integrations InnoSwitch3-CP (Figur 5) og -EP-familierne af løsninger med konfigurerbar hardware. Ligesom InnoSwitch3-Pro omfatter InnoSwitch3-CP- og InnoSwitch-EP-enhederne primære og sekundære controllere og forstærket isolation, der er klassificeret til >4000 VAC i en enkelt IC. Beskyttelsesfunktioner omfatter overspændings- og overstrømsbegrænsning, beskyttelse mod over- og underspænding i AC-linjen og overtemperaturafbrydelse. Enhederne har høj støjimmunitet, hvilket muliggør design, der opfylder EN61000-4 klasse "A"-niveauerne for ydeevne.

Diagram over Power Integrations InnoSwitch3-CP i en typisk applikation med FluxLink induktiv koblingsfeedbackforbindelseFigur 4: InnoSwitch3-CP er vist i en typisk applikation med FluxLink-induktiv koblingsfeedbackforbindelse (stiplet linje) mellem controllerne på primær og sekundær side. (Billedkilde: Power Integrations)

Designere af højeffektive flyback-konvertere på op til 100 watt til applikationer som USB PD, QC-adaptere og lignende applikationer kan med fordel anvende InnoSwitch3-CP-enheder som INN3278C, INN3279C og INN3270C (tabel 2). Disse QR switch IC'er har CV- og CC-tilstande med konstante strømprofiler, og de understøtter standardkombinationer af låsning og automatisk genstart. Kompensation af kabelfald er en valgfri funktion.

Tabel over InnoSwitch3-CP-familiens effektangivelser for adapter- og open frame-designsTabel 2: InnoSwitch3-CP-familiens effektangivelser for adapter- og open frame-designs. (Kilde til tabellen: Power Integrations)

Til applikationer som f.eks. elmålere, industrielle og intelligente strømforsyninger, standby- og bias-strømforsyning til hvidevarer, forbrugerprodukter og computere, som ikke bruger konstant strøm, kan designere vælge mellem InnoSwitch3-EP-enheder som INN3678C, INN3679C og INN3670C (tabel 3).

Tabel over InnoSwitch3-EP IC'er er beregnet til fuld effekt ved 230 VAC ±15 %Tabel 3: InnoSwitch3-EP-IC'er er beregnet til fuld effekt ved 230 VAC ±15 % og nedsat effekt med et bredt inputområde på 85 til 265 VAC. (Kilde til tabellen: Power Integrations)

InnoSwitch3-EP-enheder understøtter god krydsregulering med flere udgange. Udgangsstrømsfølingen kan justeres med en ekstern modstand, mens CV/CC-ydelsen er meget præcis og uafhængig af eksterne komponenter. Disse QR flyback switch-IC'er er tilgængelig med valgfri automatisk genstart af underspændingsbeskyttelse på udgangene og kan bestilles med standard- eller forskellige spidsbelastninger.

Miniaturisering af bulk-kondensatorer og styring af indstrømning

For yderligere at reducere antallet af komponenter og forbedre ydeevnen for AC/DC-strømforsyninger kan designere, der bruger et InnoSwitch3 PowiGaN IC, også bruge den supplerende MinE-CAP miniaturisering af bulk-kondensatorer og indløbsstyring IC til design med meget høj effekttæthed (Figur 8). MinE-CAP kan reducere volumenet af input bulk-kondensatorer med op til 50 %, og det eliminerer behovet for en NTC-termistor (negativ temperaturkoefficient) til begrænsning af indløbsstrømmen. Brugen af MinE-CAP reducerer også belastningen på indgangsbroens ensretter og sikringen, hvilket resulterer i forbedret pålidelighed af strømforsyningen.

Diagram over Power Integrations MinE-CAP bulk kondensator IC (klik for at forstørre)Figur 5: MinE-CAP miniaturisering af bulk-kondensatorer og inrush management IC er et naturligt supplement til InnoSwitch3 offline flyback-switch IC'erne i AC/DC-strømforsyninger med høj tæthed. (Billedkilde: Power Integrations)

Ligesom InnoSwitch3-IC'erne udnytter MinE-CAP den lille størrelse og den lave modstand ved PowiGaN-enheder til at give øget systemydelse. MinE-CAP til- og frakobler automatisk segmenter af bulk+-kondensatornetværket afhængigt af AC-forholdene i vekselstrømmen. Dette gør det muligt for designere at bruge den mindste bulk-kondensator (CHV i figur 8) til drift med høj AC-netspænding, mens det meste af energilagringen placeres i kondensatorer med lavere spænding (CLV) til brug under lave netforhold. Da kondensatorer med lavere spænding er betydeligt mindre end kondensatorer med høj spænding, reducerer brugen af MinE-CAP den samlede størrelse af de store indgangskondensatorer uden reduktion af effektiviteten, uden forøgelse af udgangsbølgen og uden at kræve en ny konstruktion af strømtransformatoren.

Brugen af MinE-CAP reducerer størrelsen af strømforsyninger lige så effektivt som at øge koblingsfrekvensen for at reducere transformatorstørrelsen. MinE-CAP-løsninger bruger færre komponenter og eliminerer udfordringer i forbindelse med højfrekvensdesign såsom øget transformator-/clamp-afgivelse og højere EMI.

Online designværktøjer

Power Integrations tilbyder også PI Expert til at fremskynde designet af offline flyback AC/DC- strømforsyninger ved hjælp af InnoSwitch3-serien af PowiGaN integrerede offline flyback switch IC'er. PI Expert er bygget op omkring en automatiseret grafisk brugergrænseflade (GUI) og bruger specifikationer på strømforsyninger til automatisk at generere en løsning på strømkonvertering. Den giver designere alle de detaljer, der er nødvendige for at bygge og teste en prototype af en strømkonverter. Med PI Expert kan designere lave et komplet design på få minutter.

Design med PowiGaN-baserede InnoSwitch3-IC'er er det samme som at bruge Si-baserede InnoSwitch3-enheder. PI Expert fungerer på samme måde ved optimering af koblingsfrekvens, EMI-filtrering, transformatordesign, forspænding og synkron ensretning for PowiGaN- og Si-enheder. Værktøjet implementerer automatisk de ændringer, der er nødvendige for at imødekomme den højere effekt af PowiGaN-baserede designs. Værktøjet producerer et interaktivt kredsløbsskema, en komplet BOM, detaljerede elektriske parametre og anbefalinger til printkortlayout. Resultaterne omfatter også et komplet magnetisk design med kernestørrelse, trådtykkelse, antal parallelle tråde, antal vindinger i hver vikling og viklingsinstruktioner til mekanisk samling.

Konklusion

Designere har brug for at øge effekttætheden, sænke omkostningerne og reducere udviklingstiden for offline 100-watt strømforsyninger til applikationer, der spænder fra AC/DC-opladere og adaptere til industrielle systemer. Brugen af GaN WGB-teknologi kan være en hjælp, men design med GaN kræver omhyggelig opmærksomhed på printkortlayout og andre spørgsmål i forbindelse med højhastighedskobling.

Som det fremgår, giver en mere integreret tilgang baseret på InnoSwitch3 QR flyback switcher IC'er designere mulighed for at udvikle elegante, højeffektive strømkonvertere, der giver GaN-switchens fordelagtige ydeevne, samtidig med at de risici, der normalt er forbundet med indførelsen af en ny teknologi, reduceres.

Ved at bruge InnoSwitch3 kombineret med Power Integrations MinE-CAP-styring af indløbsstrøm og miniaturisering af bulk-kondensatorer samt virksomhedens online designværktøjer PI Expert kan designere hurtigere implementere kompakte, robuste og omkostningseffektive strømforsyninger med få komponenter, der opfylder globale standarder for effektivitet.

Anbefalet læsning

  1. Det er nemt at bygge en AC/DC-switch med PI Expert

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om denne forfatter

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

Om udgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører