Integrált GaN kapcsolók használata nagy hatásfokú, költséghatékony offline tápegységekhez

A 100 wattos kompakt tápegységek alkalmazási köre egyre bővül. Az AC-DC töltőktől és adapterektől, az USB-s (PD) töltőktől és a gyorstöltő (QC) adapterektől kezdve a LED-es világításon és háztartási berendezéseken át alkalmazzák őket, a motorhajtásokig, az intelligens mérőberendezésekig és az ipari rendszerekig. Az ilyen offline flyback tápegységek tervezői számára a megoldandó problémákat a robusztusság és a megbízhatóság biztosítása jelenti, de ugyanakkor figyelniük kell a költségek csökkentésére, a hatékonyság javítására és a nagyobb teljesítménysűrűség érdekében a méretek csökkentésére is.

Ezen problémák nagy részének orvoslására a tervezők a szilícium (Si) teljesítménykapcsolókat a széles tiltott sávú (WBG) technológiás alkatrészekkel, például gallium-nitrid (GaN) technológiákkal helyettesíthetik. Ebből közvetlenül következik a tápellátás hatékonyságának javulása és a hűtés szükségességének csökkentése, ami nagyobb teljesítménysűrűséget tesz lehetővé. A Si technológiához képest azonban a GaN kapcsolók vezérlése nehézkesebb.

A tervezők számára vannak lehetőségek a gyors kapcsolási sebességekkel járó problémák, például a szórt induktivitás és kapacitás, valamint a nagyfrekvenciás oszcillációk leküzdésére, de ez több fejlesztési időt és költséget igényel. De ehelyett a belső GaN tápáramkörökkel rendelkező nagymértékben integrált offline flyback kapcsoló IC-k felé is fordulhatnak.

Ez a cikk a GaN technológia előnyeit és tervezési kihívásait tárgyalja röviden. Ezután bemutat három Power Integrations gyártmányú belső GaN teljesítménykapcsolókkal rendelkező integrált offline flyback kapcsoló IC platformot, és megmutatja, hogyan használhatók azok nagy hatásfokú teljesítmény-átalakítók megépítésére. Megemlíti a pufferkondenzátorok összesített méreteit csökkentő és túláramkezelő MinE-CAP sorozatú IC-ket, amelyek kiegészítő jelleggel alkalmazhatók, valamint egy hasznos online tervezési környezetet is.

Mi az a GaN és miért annyira jó?

A GaN egy széles tiltott sávval rendelkező félvezető anyag, amelynek a „bekapcsolt” állapotban lévő ellenállása alacsonyabb a szilíciumhoz képest, valamint nagy átütési szilárdsággal, gyors kapcsolási sebességgel és nagy hővezető képességgel rendelkezik. Ha Si helyett GaN-t használunk, akkor olyan kapcsolók gyárthatók, amelyeknél sokkal kisebb a kapcsolási veszteség a bekapcsolás és kikapcsolás során. Ezenkívül, méreteiket tekintve az egyenértékű „be” ellenállású GaN eszközök sokkal kisebbek is, mint az Si-alapú társaik. Kvetkezésképpen, egy adott lapkaméret esetén a két technológia összehasonlításakor a GaN teljesítménykapcsolók kombinált vezetési és kapcsolási veszteségei alacsonyabbak (1. ábra).

1. ábra: Adott lapkaméret mellett a GaN alkarészeknek kisebb az ellenállása a „bekapcsolt” állapotban, ami azt jelenti, hogy ezeknél az összesített veszteség alacsonyabb az Si MOSFET-ekhez képest. (Kép: Power Integrations)

Bár a GaN technológiának egyértelmű előnyei vannak, a tervekben való alkalmazása mégis kihívást jelenthet. Például a GaN eszközök rendkívül gyors kapcsolási sebessége miatt a meghajtóáramkörök nagyon érzékenyek lehetnek az áramköri kártya és a diszkrét GaN tokozások által generált szórt induktivitásokra és kapacitásokra. A nagy feszültségváltozási meredekségek (dv/dt) és a GaN eszközök meghajtásakor jelentkezhető nagyfrekvenciás oszcillációk miatt a sugárzott elektromágneses interferencia nagyobb, amit ki kell szűrni, ha nem szeretnénk, hogy az átalakító képességei degradálódnának. Emellett, mivel a GaN eszközök gyors működésűek, ez megnehezíti a hibás állapotok kivédését, amelyek gyorsabban kárt okozhatnak ezekben az alkatrészekben, mintsem azokra a védelmi áramkörök reagálni tudnának.

Egyszerűség a teljesítmény feláldozása nélkül

A Power Integrations ezeket az összetett problémákat a kvázi rezonáns InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP és InnoSwitch3-Pro PowiGaN kapcsoló IC-kkel oldotta meg (2. ábra). A PowiGaN a Power Integrations saját fejlesztésű GaN teljesítménykapcsolós technológiája, amely az InnoSwitch3 offline flyback kapcsoló IC-k primer oldalán a hagyományos szilícium tranzisztorokat váltja ki. Ezek helyett, a primer, a szekunder és a visszacsatoló áramköröket egyetlen, felületszerelt (SMD) InSOP-24D tokban integrálja. Ezáltal ezek az alkatrészek csökkentik a meghajtó áramkörök bonyolultságát és az EMI generálását, miközben a vezetési és kapcsolási veszteségek is csökkennek, ami hatékonyabb, könnyebb és kisebb adaptereket és töltőket, valamint nyitott tápegységek kialakítását teszi lehetővé.

Ez a megközelítés lehetővé teszi a tápegységek tervezői számára, hogy az áramátvitelre, a hőteljesítményre, az alaki tényezőkre és más alkalmazási szempontokra összpontosítsanak anélkül, hogy a problémás GaN technológia elvonná a figyelmüket.

2. ábra: A GaN kapcsolókkal rendelkező InnoSwitch3 offline flyback kapcsoló IC-k a helytakarékos InSOP-24D tokozásban találhatók. (Kép: Power Integrations)

A PowiGaN technológiás három InnoSwitch3 családot meghatározott alkalmazásokra optimalizálták:

• Az InnoSwitch3-CP olyan alkalmazásokhoz való, mint például az akkumulátortöltés, ahol az állandó teljesítménygörbe előnyös lehet.
• Az InnoSwitch3-EP nyitott AC-DC tápegységekhez használható számos fogyasztói és ipari alkalmazásban.
• Az InnoSwitch3-Pro eszközök I²C digitális interfészel rendelkeznek az állandó feszültség (CV) és az állandó áram (CC) alapértékek szoftveres vezérléséhez, a biztonsági üzemmód beállításaihoz és a kivételek kezeléséhez.

Az InnoSwitch3 IC-k tulajdonságai között megtalálható a kvázi rezonáns vezérlés, az akár 95%-os hatásfok a teljes terhelési tartományban, a pontosan beállítható CV, CC és CP (állandó teljesítmény) kimenetek a különböző alkalmazási igények kielégítése érdekében, és veszteségmentes áramérzékelési technológiát tartalmaznak. Ez utóbbinak köszönhetően nem kell a hatásfokot csökkentő külső áramérzékelő ellenállásokat alkalmazni, amelyek diszkrét kivitelben akár meg is haladhatják sok GaN kapcsoló ellenállását.

A kapcsolók további fő jellemzői közé tartoznak a szekunder oldali érzékelés, egy dedikált meghatjó a szinkron egyenirányító MOSFET számára, a 4000 V AC feletti névleges átütési szilárdságú integrált FluxLink induktív csatolású visszacsatolás a primer és a szekunder oldali vezérlők között, a globális energiahatékonysági követelményeknek való megfelelés, az alacsony EMI, a biztonsági és szabályozási megfelelések (UL1577 és TUV (EN60950 és EN62368) biztonsági jóváhagyások), valamint a 100%-os terhelésváltozásra adott azonnali tranziens válasz.

Digitálisan vezérelhető offline CV/CC QR flyback kapcsoló IC-k

A többféle technológiájú és protokollt használó akkumulátortöltők, állítható CV és CC LED-es előtétek, nagy hatásfokú USB PD 3.0+ programozható tápegységek (PPS), QC adapterek és hasonló alkalmazások tervezői számára előnyös lehet a teljesen programozható InnoSwitch3-Pro IC-k használata, beleértve az INN3378C, INN3379C és INN3370C IC-ket, amelyek akár 90 watt teljesítményű AC-DC adapterekben és akár 100 watt teljesítményű nyitott AC-DC tápegységekben is használhatók (1. táblázat). Ezek az alkatrészek akkor is hasznosak, ha a kimeneti áram és a feszültség finom beállítására van szükség (10 mV és 50 mA lépésekben).

1. táblázat: Az InnoSwitch3-Pro IC-ket névegesen 230 VAC ±15% bemeneti feszültséggel és 85-265 VAC bemeneti feszültséggel való működésre tervezték. (Táblázat: Power Integrations)

Az InnoSwitch3-Pro alkatrészekben lévő I²C interfész leegyszerűsíti a teljesen programozható tápegységek fejlesztését és gyártását (4. ábra). Lehetővé teszi a kimeneti áram és feszültség dinamikus szabályozását. Használható a tápellátás beállítására, a CV, CC és CP alapértékek szabályozására, a védelmi beállítások, például a túlfeszültség- és a feszültséghiány-küszöbértékek konfigurálására, valamint a hibák jelentésére. Az integrált 3,6 voltos tápegység külső mikrovezérlő (MCU) táplálására is használható. Emellett, a 30 mW alatti energiafogyasztás terheletlen állapotban (beleértve az érzékelővezetéket és az MCU-t) megfelel az összes globális energiahatékonysági követelménynek.

3. ábra: Az InnoSwitch3-Pro IC-k tartalmaznak egy I²C interfészt a teljes digitális vezérléshez és felügyelethez, valamint egy integrált 3,6 voltos tápegységet (uVCC) egy külső MCU táplálásához. (Kép: Power Integrations)

Hardveresen konfigurálható megoldások

A digitális programozhatóságot vagy felügyeletet nem igénylő alkalmazásokhoz a Power Integrations az InnoSwitch3-CP (5. ábra) és -EP családok hardveresen konfigurálható megoldásait kínálja. Az InnoSwitch3-Pro-hoz hasonlóan az InnoSwitch3-CP és az InnoSwitch-EP alkatrészek is tartalmaznak primer és szekunder vezérlőket egyetlen IC-ben, valamint megerősített, 4000 VAC feletti névleges átütési szilárdsággal rendelkeznek. A védelmi funkciók között megtalálható a kimeneti túlfeszültség- és túláram-korlátozás, a váltóáramú hálózati túlfeszültség- és feszültséghiány elleni védelem, valamint a leállás túlmelegedés esetén. Ezek az alkatrészek nagyfokú zavarvédettséggel rendelkeznek, így lehetővé teszik az EN61000-4 szerinti „A” osztályú teljesítményszinteknek megfelelő kialakítást.

4. ábra: Az InnoSwitch3-CP egy tipikus alkalmazásban, az induktív csatolású FluxLink visszacsatolással (szaggatott vonal) a primer és a szekunder oldali vezérlők között. (Kép: Power Integrations)

A például USB-s áramellátáshoz, györstöltő (QC) adapterekhez és hasonló alkalmazásokhoz való nagy hatásfokú, akár 100 wattos flyback átalakítók tervezőinek előnye származhat az InnoSwitch3-CP alkatrészek, például az INN3278C, az INN3279C és az INN3270C (2. táblázat) használatából. Ezek a kvázi rezonáns kapcsoló IC-k állandó teljesítménygörbés CV és CC üzemmódokkal rendelkeznek, és támogatják a reteszelés és az automatikus újraindítás szabványos kombinációit. A kábelveszteség-kompenzáció opcionális funkció.

2. táblázat: Az InnoSwitch3-CP család névleges teljesítményjellemzői adapterek és nyitott kialakítások esetén. (Táblázat: Power Integrations)

A fogyasztásmérőkhöz, ipari és intelligens hálózati tápegységekhez, háztartási gépek készenléti és előfeszített tápellátásához, fogyasztói termékekhez, nem állandó áramellátás mellett működő számítógépekhez és hasonló alkalmazásokhoz a tervezők az InnoSwitch3-EP alkatrészeket, például az INN3678C-t, az INN3679C-t és az INN3670C-t választhatják (3. táblázat).

3. táblázat: Az InnoSwitch3-EP IC-ket névlegesen 230 VAC ±15% melletti csúcsteljesítményre tervezték, míg névleges teljesítményjellemzőik csökkentettek a 85 és 265 VAC közötti széles bemeneti tartományban. (Táblázat: Power Integrations)

Az InnoSwitch3-EP alkatrészek jó képességgel végzik a több kimenetes keresztszabályozást. A kimeneti áramérzékelés egy külső ellenállással állítható, míg a CV/CC értékek tartása nagyon pontos, és független bármely külső alkatrésztől. Ezek a QR flyback kapcsoló IC-k opcionálisan kaphatók kimeneti feszültséghiány esetén automatikus újraindulású változatban, valamint standard vagy csúcs hasznosteljesítmény-leadási opciókkal.

Pufferkondenzátorok összesített méretének csökkentése és túláram kezelés

Az alkatrészek számának további csökkentése és az AC-DC tápegységek működésének fokozásához az InnoSwitch3 PowiGaN IC-t használó tervezők a nagyon nagy teljesítménysűrűségű kialakításoknál használhatják a pufferkondenzátorok összesített méreteit csökkentő és túláramkezelő MinE-CAP kiegészítő IC-t is (8. ábra). A MinE-CAP akár 50%-kal is csökkentheti a bemeneti pufferkondenzátorok összesített méretét, és feleslegessé teszi egy negatív hőmérsékleti együtthatójú (NTC) termisztor használatát. A MinE-CAP használatával a bemeneti egyenirányító híd és a biztosíték terheltsége is csökken, aminek eredményeként javul a tápelátás megbizhatósága.

5. ábra: A pufferkondenzátorok összesített méretét csökkentő és túláram kezelő MinE-CAP IC természetes kiegészítője az InnoSwitch3 offline flyback kapcsoló IC-knek a nagy sűrűségű AC-DC tápegységekben. (Kép: Power Integrations)

Az InnoSwitch3 IC-khez hasonlóan a MinE-CAP is a PowiGaN eszközök kis méretét és alacsony ellenállását hasznosítja a rendszerteljesítmény növeléséhez. A MinE-CAP automatikusan csatlakoztatja és leválasztja a pufferkondenzátorok egyes szegmenseit a hálózati váltakozó feszültségviszonyoktól függően. Ez lehetővé teszi a tervezők számára, hogy a legkisebb pufferkondenzátort (C_HV a 8. ábrán) használják a magasabb hálózati feszültségű üzemhez, és az energiatárolás nagy részét az alacsonyabb feszültségű kondenzátorok (C_LV) vegyék át, amelyek kihasználására alacsonyabb hálózati feszültségek esetén kerül sor. Mivel méreteiket tekintve az alacsonyabb feszültségű kondenzátorok lényegesen kisebbek, mint a magasabb feszültségűek, a MinE-CAP használatával lecsökken a bemeneti pufferkondenzátorok összesített mérete a hatékonyság bármilyen csökkenése, a feszültségingadozás bármilyen növekedése valamint a teljesítménytranszformátor újratervezésének szükségessége nélkül.

A MinE-CAP használatával a tápegységek mérete ugyanolyan hatékonyan csökkenthető, mintha a kapcsolási frekvenciát növelnénk a transzformátor méretének csökkentése érdekében. A MinE-CAP-os megoldások kevesebb alkatrészt tartalmaznak, és kiküszöbölik a nagyfrekvenciás tervekél jelentkező problémákat, mint például a megnövekedett veszteségeket a transzformátor kapcsolásakor, és a magasabb EMI-t.

Online tervezőeszközök

A Power Integrations kínálatában szerepel a PI Expert is, amely az offline flyback AC-DC tápegységek tervezésének felgyorsítására szolgál, a PowiGaN integrált offline flyback kapcsoló IC-k InnoSwitch3 termékcsaládjának felhasználásával. Az automatizált grafikus felhasználói felületre (GUI) épülő PI Expert a tápegység műszaki adatai alapján automatikusan generálni tudja a teljesítményátalakítási megoldást. A tervezőknek megad minden olyan részletet, amely egy áramátalakító prototípusának megépítéséhez és teszteléséhez kell. A PI Expert segítségével a tervezők percek alatt elkészíthetnek egy teljes tervet.

A PowiGaN alapú InnoSwitch3 IC-kkel történő tervezés ugyanolyan, mint az Si-alapú InnoSwitch3 alkatrészekkel. A PI Expert ugyanígy elvégzi a feladatát a kapcsolási frekvencia, az EMI-szűrés, a transzformátorok tervezése, a vezérlő feszültség, valamint a PowiGaN és Si alkatrészek szinkron egyenirányításának optimalizálásakor. Automatikusan elvégez minden olyan módosítást is, amelyre a PowiGaN alapú kialakításokra jellemző nagyobb teljesítmény miatt szükség van. Létrehoz egy interaktív áramköri rajzot, egy teljes BOM-listát, megadja a részletes elektromos paramétereket és NYÁK-tervre vonatkozó ajánlásokat készít. Az eredmények tartalmazzák a teljes mágneses tervet is, a mag méretével, a huzalvastagsággal, a párhuzamos huzalok számával, a tekercsek menetszámával és a mechanikus összeszereléshez szükséges tekercselési utasításokkal.

Összegzés

A tervezőknek az a feladata, hogy növeljék a teljesítménysűrűséget, de ugyanakkor csökkentsék a költségeket és a fejlesztési időt az offline 100 wattos tápegységek esetében, az AC-DC töltőktől és adapterektől kezdve az ipari rendszerekben használt alkalmazásokig. A széles tiltott sávú félvezetős GaN technológia használata segíthet, de a GaN-nel való tervezés során gondosan oda kell figyelni az áramköri kártyák kialakítására és a nagy sebességű kapcsolással kapcsolatos egyéb kérdésekre.

Amint azt bemutattuk, az InnoSwitch3 QR flyback kapcsoló IC-ken alapuló integráltabb megközelítés lehetővé teszi a tervezők számára, hogy olyan elegáns, nagy hatékonyságú teljesítmény-átalakítókat fejlesszenek ki, amelyek egyszerre nyújtani tudják a GaN kapcsolók működésbeli előnyeit, miközben csökkentik az új technológia bevezetésével általában járó kockázatokat.

Az InnoSwitch3 használatával, a Power Integrations gyártmányú MinE-CAP túláramkezelő és a pufferkondenzátorok összesített méreteit csökkentő IC-vel, valamint a vállalat PI Expert online tervezőeszközeivel kombinálva a tervezők gyorsabban építhetnek meg kompakt, robusztus, költséghatékony, alacsony alkatrésszámmal rendelkező és a globális hatékonysági szabványoknak megfelelő tápegységeket.

Ajánlott olvasnivaló

1. AC-DC kapcsolók megépítése egyszerűen a PI Expert segítségével