Jak používat integrované spínače GaN pro vysoce účinné a cenově efektivní offline napájecí zdroje

Rozsah aplikací pro kompaktní 100W napájecí zdroje se stále zvyšuje a sahá od nabíječek a adaptérů AC-DC, nabíječek USB dodávání energie (PD) a adaptérů pro rychlé nabíjení (QC) přes LED osvětlení, bílé zboží, pohony motorů, chytré měřicí přístroje a průmyslové systémy. Úlohou konstruktérů těchto offline napájecích zdrojů typu flyback je zajistit robustnost a spolehlivost a současně pokračovat ve snižování nákladů, zlepšování účinnosti a zmenšování tvarového faktoru pro vyšší hustotu výkonu.

K vyřešení mnoha z těchto problémů mohou konstruktéři nahradit křemíkové (Si) výkonové spínače zařízeními založenými na technologiích WBG (velká šířka zakázaného pásu), jako je nitrid galia (GaN). To se přímo promítá do lepší účinnosti napájení a do snížené potřeby chladiče, což umožňuje vyšší hustotu výkonu. Ve srovnání s křemíkovými spínači je však ovládání spínačů GaN obtížnější.

Konstruktéři mohou překonat problémy spojené s vysokými rychlostmi spínání, jako je rozptylová indukčnost a kapacita a vysokofrekvenční oscilace, ale vyžaduje to další čas a náklady na vývoj. Místo toho se konstruktéři mohou obrátit na vysoce integrované IO offline spínačů typu flyback s interními výkonovými zařízeními GaN.

V tomto článku se stručně pojednává o výhodách GaN a jeho konstrukčních výzvách. Poté si v článku představíme tři platformy integrovaných offline spínačů typu flyback s interními výkonovými spínači GaN od společnosti Power Integrations a ukážeme si, jak je lze použít k výrobě vysoce účinných návrhů výkonových převodníků. Probereme také komplementární miniaturizaci skupinových kondenzátorů MinE-CAP a IO řízení náběhu stejně jako užitečné prostředí pro online návrh.

Co je GaN a co je na něm tak dobrého?

GaN je širokopásmový polovodičový materiál, který má ve srovnání s křemíkem nízký odpor při „zapnutí“, vysokou průraznou pevnost, rychlé spínací rychlosti a vysokou tepelnou vodivost. Použití GaN místo křemíku umožňuje výrobu spínačů, které mají při zapnutí a vypnutí mnohem nižší spínací ztráty. Kromě toho jsou zařízení GaN s ekvivalentním odporem mnohem menší než jejich křemíkové protějšky. Výsledkem je, že pro danou velikost formy má spínač GaN nižší kombinované ztráty vodivosti a spínací ztráty (obrázek 1).

Obrázek 1: Pro danou velikost formy mají zařízení GaN nižší odpor v sepnutém stavu, což vede k nižším celkovým ztrátám ve srovnání s křemíkovými tranzistory MOSFET. (Zdroj obrázku: Power Integrations)

Přestože má zařízení GaN má jasné výhody, může být náročné jej do návrhu zahrnout. Například kvůli extrémně vysokým spínacím rychlostem součástí GaN může být uspořádání obvodu pohonu velmi citlivé na rozptylové indukčnosti a kapacity z desky plošných spojů a z diskrétních GaN pouzder. Rychlé výkyvy napětí (dV/dt) a vysokofrekvenční oscilace, ke kterým může dojít při řízení zařízení GaN, vytvářejí větší elektromagnetické rušení (EMI), které je třeba odfiltrovat, aby se zabránilo snížení účinnosti převodníku. Rychlé přepínání zařízení GaN také ztěžuje jejich ochranu před poruchovými stavy, protože mohou zařízení poškodit rychleji, než dokáží reagovat ochranné obvody.

Jednoduchost bez obětování výkonu

Společnost Power Integrations řeší tyto složitosti svými kvazirezonančními IO spínačů s technologií PowiGaN InnoSwitch3-CP, ,InnoSwitch3-EP a InnoSwitch3-Pro (obrázek 2). PowiGaN je technologie výkonového spínače GaN vyvinutá interně ve společnosti Power Integrations, která nahrazuje tradiční křemíkové tranzistory na primární straně integrovaných obvodů offline spínačů InnoSwitch3 typu flyback. Místo toho integruje primární, sekundární a zpětnovazební obvody do jediné součástky pro povrchovou montáž (SMD) s pouzdrem InSOP-24D. Přitom zařízení snižují složitost rozvržení řadiče a generování EMI a zároveň snižují ztráty vedení a přepínání, což umožňuje efektivnější, lehčí a menší adaptéry a nabíječky i napájecí zdroje s otevřenou konstrukcí.

Použití tohoto přístupu umožňuje konstruktérům napájecích zdrojů soustředit se na dodávku energie, tepelný výkon, tvarové faktory a další aspekty aplikace, aniž by byli rušeni náročnou technologií GaN.

Obrázek 2: Integrované obvody offline spínačů InnoSwitch3 typu flyback se spínači GaN jsou dodávány v prostorově úsporném balení InSOP-24D. (Zdroj obrázku: Power Integrations)

Tři řady InnoSwitch3 s technologií PowiGaN jsou optimalizovány pro konkrétní třídy aplikací:

• InnoSwitch3-CP je určen pro aplikace, například nabíjení baterie, které mohou využívat konstantní profil napájení.
• InnoSwitch3-EP je určen pro napájecí zdroje AC-DC s otevřenou konstrukcí v řadě spotřebitelských a průmyslových aplikací.
• Zařízení InnoSwitch3-Pro obsahují digitální rozhraní I²C pro softwarové řízení nastavených hodnot konstantního napětí (CV) a konstantního proudu (CC), možností bezpečného režimu a zpracování výjimek.

Integrované obvody InnoSwitch3 se vyznačují kvazirezonančním řízením, až 95% účinností v celém rozsahu zátěže, podporou přesných výstupů CV, CC a konstantního výkonu (CP), které splňují nejrůznější požadavky aplikací a zahrnují technologii bezztrátového snímání proudu. Poslední zmíněná technologie eliminuje potřebu externích rezistorů se snímáním proudu, které snižují účinnost a které mohou dokonce překročit odpor mnoha spínačů GaN v diskrétních provedeních.

Mezi další klíčové vlastnosti spínačů patří snímání na sekundární straně, vyhrazený řadič pro synchronní usměrňování s tranzistory MOSFET, integrované zpětnovazební spojení indukční vazby FluxLink mezi řadiči na primární a sekundární straně s izolací střídavého proudu (VAC) >4 000 V, dodržování globálních požadavků na energetickou účinnost, nízké elektromagnetické rušení (EMI), bezpečnost a shoda s předpisy (schválení bezpečnosti podle UL1577 a TUV (EN60950 a EN62368)) a okamžitá přechodová odezva pro 100% kroky zátěže.

Digitálně řiditelné integrované obvody offline spínačů typu flyback CV/CC QR

Konstruktéři multichemických a víceprotokolových nabíječek baterií, nastavitelných předřadníků CV a CC LED, vysoce účinných programovatelných napájecích zdrojů USB PD 3.0+ (PPS), adaptérů QC a podobných aplikací mohou těžit z plně programovatelných integrovaných obvodů InnoSwitch3-Pro, včetně modelů INN3378C, INN3379C a INN3370C, které lze použít v napájecích adaptérech AC-DC s výkonem až 90 W a v napájecích zdrojích AC-DC s otevřenou konstrukcí až 100 W (tabulka 1). Tato zařízení jsou také užitečná, když je zapotřebí jemné ovládání výstupního proudu a nastavení napětí (podporovány jsou kroky 10 mV a 50 mA).

Tabulka 1: Integrované obvody spínače InnoSwitch3-Pro jsou dimenzovány pro provoz se vstupem 230 VAC ±15 % a vstupem 85 až 265 VAC. (Zdroj tabulky: společnost Power Integrations)

Rozhraní I²C v zařízeních InnoSwitch3-Pro zjednodušuje vývoj a výrobu plně programovatelných napájecích zdrojů (obrázek 4). Umožňuje dynamické řízení výstupního proudu a napětí. Lze jej použít ke konfiguraci napájecího zdroje, řízení nastavených hodnot CV, CC a CP, nastavení ochrany, jako jsou prahové hodnoty přepětí a podpětí, a zpracování hlášení poruch. Integrované napájení 3,6 V lze použít k napájení externího mikrokontroléru (MCU). Navíc příkon naprázdno <30 mW (včetně snímací linky a MCU) splňuje všechny globální požadavky na energetickou účinnost.

Obrázek 3: Integrované obvody InnoSwitch3-Pro obsahují rozhraní I²C pro plně digitální řízení a monitorování a integrované napájení 3,6 V (uVCC) pro napájení externího MCU. (Zdroj obrázku: Power Integrations)

Hardwarově konfigurovatelná řešení

Pro aplikace, které nevyžadují digitální programovatelnost nebo monitorování, nabízí společnost Power Integrations řady hardwarově konfigurovatelných řešení spínačů InnoSwitch3-CP (obrázek 5) a -EP. Stejně jako spínač InnoSwitch3-Pro obsahují zařízení InnoSwitch3-CP a InnoSwitch-EP primární a sekundární řadiče a zesílenou izolaci dimenzovanou na >4 000 VAC v jednom integrovaném obvodu. Mezi ochranné funkce patří omezení výstupního přepětí a nadproudu, přepěťová a podpěťová ochrana střídavého vedení a vypnutí při nadměrné teplotě. Zařízení se vyznačují vysokou odolností proti rušení, což umožňuje konstrukce, které splňují úroveň výkonu třídy „A“ normy EN61000-4.

Obrázek 4: Zobrazen je spínač InnoSwitch3-CP v typické aplikaci zpětnovazebního spojení indukční vazby FluxLink (přerušovaná čára) mezi primární a sekundární stranou řadičů. (Zdroj obrázku: Power Integrations)

Konstruktéři vysoce efektivních převodníků typu flyback do 100 W pro aplikace, jako jsou USB PD, adaptéry QC a podobné aplikace, mohou těžit z použití zařízení InnoSwitch3-CP, jako je INN3278C, INN3279C a INN3270C (tabulka 2). Tyto integrované obvody spínačů QR mají režimy CV a CC s profily konstantního výkonu a podporují standardní kombinace blokování a automatického restartu. Volitelnou funkcí je kompenzace ztráty kabelu.

Tabulka 2: Jmenovité výkony řady InnoSwitch3-CP pro návrhy adaptérů a otevřených konstrukcí. (Zdroj tabulky: společnost Power Integrations)

U aplikací, jako jsou elektroměry, průmyslové a inteligentní napájecí zdroje, pohotovostní a předpěťové napájení pro bílé zboží, spotřební produkty a počítače, které nepoužívají provoz s konstantním výkonem, mohou konstruktéři vybrat ze zařízení InnoSwitch3-EP, jako je INN3678C, INN3679C a INN3670C (tabulka 3).

Tabulka 3: Integrované obvody InnoSwitch3-EP jsou dimenzovány na plný výkon při 230 VAC ±15 % a odlehčený výkon se širokým vstupním rozsahem 85 až 265 VAC. (Zdroj tabulky: Power Integrations)

Zařízení InnoSwitch3-EP podporují dobrou vícevýstupovou křížovou regulaci. Snímání výstupního proudu je nastavitelné pomocí externího rezistoru, zatímco výkon CV/CC je velmi přesný a nezávislý na jakýchkoli externích komponentách. Tyto integrované obvody spínačů typu flyback QR jsou k dispozici s volitelnou ochranou proti podpětí s automatickým restartem a lze je objednat se standardními nebo špičkovými možnostmi napájení.

Miniaturizace skupinového kondenzátoru a řízení náběhu

K dalšímu snížení počtu komponent a zvýšení výkonu napájecích zdrojů AC-DC mohou konstruktéři používající integrovaný obvod InnoSwitch3 PowiGaN použít také doplňkovou miniaturizaci skupinového kondenzátoru MinE-CAP a integrovaný obvod řízení náběhu, aby získali návrhy s velmi vysokou hustotou výkonu (obrázek 8). MinE-CAP může snížit objem vstupních skupinových kondenzátorů až o 50 % a eliminuje potřebu termistoru omezujícího záporný teplotní koeficient (NTC) omezování náběhového proudu. Použití MinE-CAP také snižuje napětí na usměrňovači a pojistce vstupního můstku, což vede ke zlepšení spolehlivosti napájecího zdroje.

Obrázek 5: Miniaturizace skupinových kondenzátorů MinE-CAP a řízení náběhu je přirozeným doplňkem integrovaných obvodů offline spínačů InnoSwitch3 typu flyback v napájecích zdrojích AC-DC s vysokou hustotou. (Zdroj obrázku: Power Integrations)

Stejně jako integrované obvody InnoSwitch3 využívá zařízení MinE-CAP malé rozměry a nízký odpor při zapnutí zařízení PowiGaN, aby zajistilo vyšší výkon systému. MinE-CAP automaticky připojuje a odpojuje segmenty sítě skupinových kondenzátorů v závislosti na podmínkách vedení střídavého proudu. To konstruktérům umožňuje používat nejmenší skupinový kondenzátor (C_HV na obrázku 8) pro provoz vysokého střídavého síťového napětí při umístění většiny úložiště energie do kondenzátorů s nižším napětím (C_LV) pro použití za podmínek nízkého vedení. Vzhledem k tomu, že nízkonapěťové kondenzátory jsou podstatně menší než vysokonapěťové, použití kondenzátoru MinE-CAP snižuje celkovou velikost skupinových vstupních kondenzátorů bez snížení účinnosti, bez zvýšení zvlnění výstupu a bez nutnosti redesignu výkonového transformátoru.

Použití kondenzátoru MinE-CAP zmenšuje velikost napájecích zdrojů stejně účinně jako zvýšení spínací frekvence kvůli zmenšení velikosti transformátoru. Řešení s kondenzátory MinE-CAP využívají méně komponent a eliminují problémy s vysokofrekvenčním designem, jako je vyšší disipace transformátoru/svorky a vyšší EMI.

Online nástroje pro návrh

K urychlení návrhu offline napájecích zdrojů AC-DC typu flyback pomocí integrovaných obvodů offline spínačů typu flyback řady InnoSwitch3 s technologií PowiGaN nabízí společnost Power Integrations také nástroj PI Expert. Sada PI Expert, postavená na automatizovaném grafickém uživatelském rozhraní (GUI), používá specifikace napájení a automaticky generuje řešení převodu energie. Poskytuje konstruktérům všechny podrobnosti potřebné k sestavení a testování prototypového měniče výkonu. Pomocí nástroje PI Expert mohou konstruktéři během několika minut vytvořit kompletní návrh.

Navrhování pomocí integrovaných obvodů InnoSwitch3 založených na technologii PowiGaN je stejné jako používání zařízení InnoSwitch3 na bázi křemíku. Nástroj PI Expert funguje stejným způsobem při optimalizaci spínací frekvence, filtrace EMI, návrhu transformátoru, předpětí a synchronního usměrnování pro PowiGaN a křemíkové součásti. Nástroj automaticky implementuje všechny změny potřebné k přizpůsobení vyššímu výkonu návrhů založených na technologii PowiGaN. Tento nástroj vytváří interaktivní schéma zapojení, kompletní kusovník (BOM), podrobné elektrické parametry a doporučení pro rozložení desky plošných spojů. Výsledky také zahrnují kompletní magnetický návrh s velikostí jádra, tloušťkou vodiče, počtem paralelních vodičů, počtem závitů v každém vinutí a pokyny k navíjení pro mechanickou montáž.

Závěr

Konstruktéři potřebují zvýšit hustotu energie, snížit náklady a zkrátit dobu vývoje offline 100wattových napájecích zdrojů pro aplikace od AC-DC nabíječek a adaptérů po průmyslové systémy. Použití širokopásmové technologie GaN může být pomocí, ale navrhování s GaN vyžaduje pečlivou pozornost k rozložení desky a dalším problémům spojeným s vysokorychlostním spínáním.

Jak jsme si ukázali, integrovanější přístup založený na integrovaných obvodech spínače InnoSwitch3 QR typu flyback umožňuje konstruktérům vyvinout elegantní a vysoce účinné převodníky výkonu, které poskytují výkonové výhody spínačů GaN, a současně snižují rizika obvykle spojená s přijetím nové technologie.

Pomocí spínače InnoSwitch3 v kombinaci s řízením náběhového proudu MinE-CAP společnosti Power Integrations a miniaturizací integrovaných obvodů skupinových kondenzátorů, jakož i online návrhovými nástroji PI Expert této společnosti, mohou konstruktéři rychleji implementovat kompaktní, robustní a cenově efektivní napájecí zdroje s nízkým počtem komponent, které splňují globální standardy účinnosti.

Doporučeno k přečtení

1. Sestavení přepínače AC/DC je s nástrojem PI Expert snadné