Hur man använder integrerade GaN-switchar för högeffektiva, kostnadseffektiva offline-strömförsörjningar

Användningsområdena för kompakta strömförsörjningar på 100 W fortsätter att öka, från AC-DC-laddare och adaptrar, USB Power Delivery (PD) och Quick Charge-adaptrar (QC) till LED-belysning, vitvaror, motordrivenheter, smarta mätare och industrisystem. Utmaningen för konstruktörer av dessa offline flyback-strömförsörjningar är att säkerställa tålighet och tillförlitlighet, samtidigt som man fortsätter att sänka kostnaderna, förbättra effektiviteten och minska formfaktorn för att uppnå högre effekttäthet.

För att lösa många av dessa problem kan konstruktörer ersätta effektswitchar av kisel (Si) med enheter som bygger på teknik med ett brett bandgap (WBG) som, t.ex. galliumnitrid (GaN). Detta leder direkt till att strömförsörjningen får en bättre verkningsgrad och ett minskat behov av kylning, vilket ger en högre effekttäthet. I jämförelse med kisel är GaN-switchar dock svårare att driva.

Konstruktörerna kan lösa de problem som är förknippade med snabba switchningshastigheter, t.ex. restinduktans och kapacitans samt högfrekventa svängningar, men det kräver extra utvecklingstid och kostnader. Konstruktörer kan istället använda högintegrerade offline-kretsar med flyback-switchning med inbyggda GaN-effektenheter.

Artikeln diskuterar kortfattat fördelarna med GaN och dess konstruktionsutmaningar. Därefter presenteras tre integrerade kretsplattformar för offline flyback-switchning med inbyggda GaN-switchar från Power Integrations och hur dessa kan användas för att skapa högeffektiva kraftomvandlarkonstruktioner. Kompletterande MinE-CAP-miniatyrisering av bulkkondensatorer och kretsar för hantering av strömrusningar diskuteras, liksom en användbar konstruktionsmiljö online.

Vad är GaN och vad är det som är så bra med det?

GaN är ett halvledarmaterial med brett bandgap som jämfört med Si har en låg tillslagsresistans, hög genombrottsstyrka, snabb switchningshastighet och en hög värmeledningsförmåga. Genom att använda GaN i stället för Si kan man tillverka switchar som har mycket lägre switchningsförluster vid till- och frånslag. Dessutom är GaN-enheter med likvärdig tillslagsresistans betydligt mindre än motsvarande enheter av Si. Detta medför att en GaN-effektswitch har lägre kombinerade lednings- och kopplingsförluster för en given kretsstorlek (figur 1).

Figur 1: GaN-enheter har en lägre tillslagsresistans för en given kretsstorlek, vilket medför lägre totala förluster jämfört med MOSFET:ar av Si. (Bildkälla: Power Integrations)

GaN har tydliga fördelar, men det kan vara svårt att konstruera med GaN. På grund av GaN-enheternas extremt snabba switchingshastigheter kan exempelvis, layouter för drivkretsar vara mycket känsliga för restinduktanser och kapacitanser från kretskortet och från diskreta GaN-paket. De snabba spänningsvariationer (dv/dt) och högfrekventa svängningar som kan uppstå vid drift av GaN-enheter skapar mer elektromagnetiska störningar (EMI) som måste filtreras bort för att förhindra att omvandlarens effektivitet minskar. GaN-enheternas snabba switchning gör det även svårt att skydda dem mot fel, eftersom de kan skada enheterna snabbare än vad skyddskretsen hinner reagera.

Enkelhet utan att ge avkall på prestanda

Power Integrations har löst dessa komplicerade problem med sina kvasiresonanta PowiGaN-switchkretsar InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP och InnoSwitch3-Pro (figur 2). PowiGaN är Power Integrations internt utvecklade GaN-teknik för switchar som ersätter de traditionella kiseltransistorerna på primärsidan av offline flyback-switchkretsen InnoSwitch3. Istället integreras primär-, sekundär- och återkopplingskretsar i en enda ytmonterad enhet i en SOP-24D-kapsling Därmed, minskas komplexiteten i drivenheternas layout och och EMI-genereringen, samtidigt som den även minskar lednings- och switchningförlusterna, vilket möjliggör effektivare, lättare och mindre adaptrar och laddare samt nätaggregat med öppen ram.

Genom att använda detta tillvägagångssätt kan konstruktörer av nätaggregat fokusera på strömförsörjning, värmeprestanda, format och andra överväganden i tillämpningen utan att distraheras av den utmanande GaN-tekniken.

Figur 2: Kretsarna InnoSwitch3 för offline flyback-switchning levereras i den platsbesparande kapslingen InSOP-24D. (Bildkälla: Power Integrations)

De tre InnoSwitch3-familjerna med PowiGaN-teknik är optimerade för specifika klasser av tillämpningar:

• InnoSwitch3-CP är avsedd för tillämpningar som t.ex. batteriladdning som kan dra nytta av en konstant effektprofil.
• InnoSwitch3-EP är avsedd för AC-DC-strömförsörjning med öppen ram i en mängd tillämpningar för konsument och industri.
• InnoSwitch3-Pro-enheterna har ett digitalt I²C-gränssnitt för programvarustyrning av börvärden för konstant spänning (CV) och konstant ström (CC), alternativ för säkerhetsläge och hantering av undantagsfel.

InnoSwitch3-kretsarna har kvasiresonant kontroll, upp till 95 % verkningsgrad i hela belastningsområdet, stöd för exakta CV-, CC- och CP-utgångar (konstant effekt) för att uppfylla en mängd olika tillämpningar och inkluderar teknik för förlustfri strömavkänning. Det sistnämnda eliminerar behovet av externa motstånd för strömavkänning som minskar verkningsgraden och som till och med kan överstiga resistansen hos många GaN-switchar i diskreta konstruktioner.

Andra viktiga egenskaper hos switcharna är avkänning på sekundärsidan, en särskild drivenhet för en MOSFET med synkron likriktning, inbyggd induktiv FluxLink-återkopplingskoppling mellan primär- och sekundärsidans styrenheter med >4 000 V växelströmsisolering (VAC), överensstämmelse med globala krav på energieffektivitet, låg EMI, överensstämmelse med regelverk för säkerhet och bestämmelser (UL1577 och TUV (säkerhetsgodkända enligt EN60950 och EN62368) och omedelbar transientrespons för 100-procentiga belastningssteg.

Digitalt styrbara offline-kretsar för CV/CC QR flyback-switchning

Konstruktörer av batteriladdare med flera kemikalier och flera protokoll, LED-drivdon med justerbar CV och CC, högeffektiva programmerbara USB PD 3.0+ nätaggregat (PPS), QC-adaptrar och liknande tillämpningar kan dra nytta av de fullständigt programmerbara kretsarna InnoSwitch3-Pro, som inkluderar INN3378C, INN3379C och INN3370C, som kan användas i AC-DC-adaptrar med upp till 90 W och AC-DC-strömförsörjningar upp till 100 W (tabell 1). Enheterna är även användbara vid behov av finjustering av utgångsström och spänningsjustering (steg om 10 mV och 50 mA stöds).

Tabell 1: Kretsarna InnoSwitch3-Pro är specificerade för drift med 230 VAC ±15 % och 85 till 265 VAC. (Tabellkälla: Power Integrations)

I²C-gränssnittet i InnoSwitch3-Pro-enheterna förenklar utvecklingen och produktionen av fullt programmerbara nätaggregat (figur 4). Det möjliggör dynamisk styrning av utgångsström och utgångsspänning. Det kan användas för att konfigurera strömförsörjningen, styra börvärdena för CV-, CC- och CP, skyddsinställningar som gränsvärden för överspänning och underspänning samt för att hantera felrapportering. Den inbyggda försörjningen på 3,6 V kan användas för att driva en extern mikrokontroller (MCU). Dessutom uppfyller energiförbrukningen vid nollbelastning på <30 milliwatt (mW) (inklusive avkänningsledning och MCU) alla globala krav på energieffektivitet.

Figur 3: Kretsarna InnoSwitch3-Pro har ett I²C-gränssnitt för fullständig digital styrning och övervakning samt en inbyggd försörjning på 3,6 V (uVCC) för att driva en extern MCU. (Bildkälla: Power Integrations)

Konfigurerbara hårdvarulösningar

För tillämpningar som inte kräver digital programmering eller övervakning, erbjuder Power Integrations, familjerna InnoSwitch3-CP (figur 5) och -EP med konfigurerbara hårdvarulösningar. På samma sätt som InnoSwitch3-Pro innehåller enheterna InnoSwitch3-CP och InnoSwitch-EP primära och sekundära styrenheter och förstärkt isolering märkt för >4000 VAC i en enda krets. Skyddsfunktionerna omfattar överspännings- och överströmsbegränsning på utgångarna, skydd mot över- och underspänning i AC-ledningar, samt avstängning vid övertemperatur. Enheterna har en hög störningsimmunitet, vilket möjliggör konstruktioner som uppfyller prestandanivåerna i EN61000-4 klass "A".

Figur 4: InnoSwitch3-CP visas i en typisk tillämpning med en induktiv anslutning för FluxLink-återkopplingskoppling (streckad linje) mellan styrenheterna på primär- och sekundärsidan. (Bildkälla: Power Integrations)

Konstruktörer av högeffektiva flyback-omvandlare på upp till 100 W för tillämpningar som USB PD, QC-adaptrar och liknande, kan dra nytta av InnoSwitch3-CP-enheter som t.ex. INN3278C, INN3279Coch INN3270C (tabell 2). Dessa QR-switchande kretsar har CV- och CC-lägen med konstanta strömprofiler, och de stöder standardkombinationer av låsning och automatisk omstart. Kompensation för kabelbrott är en valfri funktion.

Tabell 2: InnoSwitch3-CP-familjens märkeffekter för adaptrar och konstruktioner med öppen ram. (Tabellkälla: Power Integrations)

För tillämpningar som elmätare, industriella och smarta nätströmsförsörjningar, standby- och förspänningsström för vitvaror, konsumentprodukter och datorer som inte kräver konstant ström kan konstruktörerna välja bland InnoSwitch3-EP-enheterna INN3678C, INN3679C och INN3670C (tabell 3).

Tabell 3: Kretsarna InnoSwitch3-EP är specificerade för full effekt vid 230 VAC ±15 % och reducerad effekt med ett brett ingångsintervall på 85 till 265 VAC. (Tabellkälla: Power Integrations)

Enheterna InnoSwitch3-EP har stöd för god korsreglering av flera utgångar. Utgångsströmmen kan justeras med ett externt motstånd, medan CV/CC-prestandan är mycket exakt och oberoende av externa komponenter. Dessa kretsar för QR flyback-switchning finns med valfritt skydd mot underspänning vid automatisk återstart och kan beställas med standardalternativ eller alternativ för toppeffekt.

Miniatyrisering av bulkkondensatorer och hantering av strömrusningar

För att ytterligare minska antalet komponenter och förbättra prestandan i AC-DC-strömförsörjningar kan konstruktörer som använder kretsen InnoSwitch3 PowiGaN även använda den kompletterande MinE-CAP för miniatyrisering av bulkkondensatorer och hantering av strömrusningar i konstruktioner med mycket hög effekttäthet (Figur 8). MinE-CAP kan minska volymen av ingångarnas bulkkondensatorer med upp till 50 % och eliminerar behovet av en termistor med negativ temperaturkoefficient (NTC) som begränsar rusningsströmmen. Användningen av MinE-CAP minskar även belastningen på ingångens likriktarbrygga och säkringen, vilket leder till förbättrad tillförlitlighet i strömförsörjningen.

Figur 5: Miniatyriseringen av bulkkondensatorerer och styrning av strömrusningar är ett naturligt komplement till kretsen InnoSwitch3:s offline flyback-switch i AC-DC-strömförsörjningar med hög densitet. (Bildkälla: Power Integrations)

Liksom kretsarna InnoSwitch3 utnyttjar MinE-CAP den lilla storleken och det låga motståndet hos PowiGaN-enheterna för att ge ökad systemprestanda. MinE-CAP kopplar automatiskt till och från delar av nätverket med bulkkondensatorer beroende på växelspänningsförhållandena. Detta gör det möjligt för konstruktörer att använda den minsta bulkkondensatorn (C_HV i figur 8) för drift med hög växelströmsspänning och samtidigt placera större delen av energilagringen i kondensatorer med lägre spänning (C_LV) för användning vid låga spänningsförhållanden i elnätet. Eftersom kondensatorer med lägre spänning är betydligt mindre än kondensatorer med högre spänning, minskar användningen av MinE-CAP den totala storleken på de stora ingångskondensatorerna utan att verkningsgraden minskar, utan ökat rippel på utgången och utan att det krävs en omkonstruktion av strömtransformatorn.

Användning av MinE-CAP minskar storleken på strömförsörjningarna lika effektivt som att öka switchningsfrekvensen för att minska transformatorstorleken. Lösningar med MinE-CAP använder färre komponenter och eliminerar utmaningar inom konstruktion med höga frekvenser, som t.ex. ökad transformator-/klampförlust och högre EMI.

Designverktyg online

Power Integrations erbjuder även PI Expert för att skynda på konstruktionen av AC-DC-strömförsörjningar med offline flyback som använder InnoSwitch3-serien med PowiGaN-kretsar med inbyggd offline flyback-switchning. PI Expert bygger på ett automatiserat grafiskt användargränssnitt (GUI), och använder specifikationer för strömförsörjningen för att automatiskt generera en lösning för strömomvandling. Det förser konstruktörer med all information som krävs för att bygga och testa en prototypversion av en strömomvandlare. Med hjälp av PI Expert kan konstruktörer skapa en komplett konstruktion på några minuter.

Konstruktion med PowiGaN-baserade InnoSwitch3-kretsar sker på samma sätt som med Si-baserade InnoSwitch3-enheter. PI Expert fungerar på samma sätt vid optimering av switchningsfrekvens, EMI-filtrering, transformatorkonstruktion, förspänning och synkron likriktning för PowiGaN- och Si-enheter. Verktyget genomför automatiskt alla de ändringar som krävs för att tillgodose den högre effekten i PowiGaN-baserade konstruktioner. Verktyget producerar ett interaktivt kretsschema, en komplett stycklista, detaljerade elektriska parametrar och rekommendationer för kretskortets layout. Resultaten omfattar även en komplett magnetisk konstruktion med kärnstorlek, trådtjocklek, antal parallella trådar, antal varv i varje lindning och lindningsinstruktioner för mekanisk montering.

Sammanfattning

Konstruktörer behöver öka effekttätheten, sänka kostnaden och minska utvecklingstiden för offline-strömförsörjningar på 100 W för tillämpningar som sträcker sig från AC-DC-laddare och adaptrar till industriella system. Användningen av GaN WGB-teknik kan underlätta, men för att konstruera med GaN krävs det att man lägger stor vikt vid kretskortets layout och de övriga problem som är förknippade med switchning i hög hastighet.

Som framgått, kan konstruktörer med ett mer integrerat tillvägagångssätt baserat på kretsarna InnoSwitch3 QR med flyback-switchning, utveckla eleganta, högeffektiva strömomvandlare som ger prestandafördelar gentemot GaN-switchar, samtidigt som de risker som vanligtvis är förknippade med att införa en ny teknik minskas.

Genom användningen av InnoSwitch3, i kombination med Power Integrations MinE-CAP hantering av strömrusningar och miniatyrisering av bulkkondensatorer, samt företagets online-designverktyg PI Expert, kan konstruktörer snabbare implementera kompakta, robusta och kostnadseffektiva strömförsörjningar med få komponenter som uppfyller globala effektivitetsnormer.

Rekommenderad läsning

1. Det är enkelt att bygga en AC/DC-switch med PI Expert