Количество бытового электронного оборудования питаемого от блоков питания со средней выходной мощностью постоянно увеличивается. Та же тенденция касается и блоков, работающих внутри корпуса устройств ПК, а также зарядных устройств, блоков питания для светодиодного освещения, бытовой техники и промышленных схем, которых с каждым годом становится все больше. Поэтому перед разработчиками БП стоит задача обеспечить надежность при одновременном снижении затрат, повышении эффективности и уменьшении форм-фактора для достижения более высокой удельной мощности (меньший размер корпуса).
Решением многих из этих проблем является замена кремниевых переключающих транзисторов (обычные MOSFET) версиями на основе широкополосных полупроводников (WBG), таких как нитрид галлия (GaN). Это простое изменение приводит к гораздо большей энерго-эффективности и меньшему размеру радиаторов, необходимых для охлаждения, а также к более высокой выходной мощности для эквивалентного объема.
Правда по сравнению с кремниевыми транзисторами, GaN-переключатели сложнее контролировать. При использовании GaN также необходимо преодолеть проблемы, возникающие при высокой скорости переключения этих элементов, связанные с наличием паразитных реактивных сопротивлений, являющихся источником колебаний, что требует дополнительных затрат времени и средств на проект. Вместо этого можно использовать интегральные микросхемы контроллера обратного хода для автономных источников питания (с гальванической развязкой) с внутренними силовыми транзисторами GaN. Давайте обсудим преимущества и проблемы, связанные с использованием полупроводников GaN в БП.
Преимущества GaN чипов
GaN — новый полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной, который по сравнению с кремнием обладает низким сопротивлением во включенном состоянии, высокой прочностью на пробой и высокой скоростью переключения, а также теплопроводностью. Использование силового GaN-транзистора вместо кремниевого обеспечивает значительно меньшие потери при переключении. Более того, GaN с эквивалентным сопротивлением имеют гораздо меньшие размеры, чем их кремниевые аналоги. В результате для данного типа переключатель на GaN имеет как меньшие потери проводимости, так и потери на переключение.
При одинаковом размере структуры GaN-транзисторы имеют меньшее сопротивление в открытом состоянии, что обеспечивает меньшие потери мощности по сравнению с кремниевыми MOSFET
Хотя GaN имеет много преимуществ, разработка источников питания с этими транзисторами может быть затруднена. Например, из-за высокой скорости переключения (крутизны наклонов напряжения и тока) проблемой являются все паразитные индуктивности и паразитные емкости от печатной платы и дискретных компонентов. Крутые наклоны (большие dV / dt) вызывают высокочастотные колебания, вызывающие электромагнитные помехи (EMI), которые необходимо отфильтровывать и подавлять, чтобы предотвратить повреждение от перенапряжения. Более того, быстрое переключение GaN затрудняет их защиту от перегрузок, так как они могут выйти из строя быстрее, чем среагируют схемы защиты.
Компания Power Integrations решила эти проблемы, разработав интегрированные квазирезонансные контроллеры питания со встроенным силовым каскадом PowiGaN. Это InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP и InnoSwitch3-Pro. PowiGaN — это первичный транзистор GaN, который заменяет традиционные кремниевые транзисторы используемые в контроллерах обратного хода и семействе продуктов InnoSwitch3. Новый контроллер включает в себя необходимые цепи работающие на первичную и вторичную сторону источника питания, а также имеет цепь обратной связи. Все это закрыто в корпусе SMD InSOP-24D. Такая высокая степень интеграции помогает снизить сложность БП, снизить уровень генерируемых электромагнитных помех, одновременно повысить эффективность и уменьшить габариты.
Автономные драйверы барьерных преобразователей InnoSwitch3 с GaN-переключателями, выполненные в корпусах InSOP-24
Использование этой микросхемы драйвера позволяет разработчикам источников питания сосредоточиться на преобразовании мощности, производительности и других аспектах применения, не отвлекаясь на реализацию GaN. Три серии InnoSwitch3 со встроенными коммутаторами PowiGaN были оптимизированы для следующих целей:
InnoSwitch3-CP – зарядка аккумулятора постоянной мощностью,
InnoSwitch3-EP — блоки питания AC-DC для бытового и промышленного применения,
InnoSwitch3-Pro включает цифровой интерфейс I²C для программирования напряжения (CV), тока (CC) и порогов защиты.
Чипы InnoSwitch3 работают по квазирезонансной топологии, обеспечивают КПД до 95% во всем диапазоне нагрузок и обеспечивают постоянное выходное напряжение (CV), ток (CC) и постоянную мощность (CP). Измерение выходного тока осуществляется без потерь, что устраняет необходимость во внешних измерительных резисторах. Эти элементы снижают эффективность, и в типовых схемах их сопротивление значительно превышает сопротивление GaN-транзисторов в открытом состоянии.
Другие ключевые функции включают в себя измерение выхода вторичного источника питания, встроенный драйвер синхронного выходного выпрямителя MOSFET, цепь индуктивной обратной связи FluxLink для изоляции более 4 кВ переменного тока, соответствие эффективности, низкий уровень электромагнитных помех, безопасность и соответствие требованиям UL1577 и EN62368, а также превосходную динамику отклика в переходных процессах (изменение выходного напряжения в ответ на скачок нагрузки).
Контроллеры питания Flyback CV/CC QR с программированием
Разработчики универсальных зарядных устройств, источников питания CV и CC LED, программируемых блоков питания, совместимых с USB PD 3.0+, адаптеров QC и аналогичных устройств могут воспользоваться преимуществами чипов InnoSwitch3-Pro, включая INN3378C, INN3379C и INN3370C, которые предназначены для адаптерные блоки питания до 90 Вт и бескорпусные блоки до 100 Вт. Они также подходят для целей, где требуется точное регулирование выходного тока и напряжения (поддерживаются шаги 10 мВ и 50 мА).
Микросхемы InnoSwitch3-Pro включают интерфейс I²C для цифрового управления и контроля источника питания и имеют встроенный вспомогательный источник питания 3,6 В (uVCC) для внешнего MCU.
Интерфейс I²C упрощает разработку и производство блоков питания благодаря возможности программирования. Это позволяет контролировать выходной ток и напряжение. Его можно использовать для настройки выходных параметров для режимов CV, CC и CP, настройки порогов срабатывания защиты и индикации неисправности. Доступный вспомогательный источник питания 3,6 В можно использовать для питания микроконтроллера (MCU). Потребляемая мощность без нагрузки <30 мВт (включая блок питания MCU) отвечает всем требованиям энергоэффективности.
Аппаратно конфигурируемые контроллеры
Если не требуется программирование или мониторинг, предлагаются аппаратно-конфигурируемые серии InnoSwitch3-CP. Как и InnoSwitch3-Pro, они содержат все цепи, необходимые для реализации первичной и вторичной цепи и обратной связи с изоляцией лучше, чем 4 кВ переменного тока. Функции защиты включают защиту от перенапряжения и перегрузки по току, защиту от пониженного и перенапряжения в сети переменного тока и отключение при перегреве. Эти схемы отличаются высокой помехоустойчивостью, благодаря чему конструкции соответствуют стандарту EN61000-4 для класса «А».
InnoSwitch3-CP в типичном приложении с индуктивной петлей обратной связи FluxLink (штриховая линия)
InnoSwitch3-EP также хорошо работает в блоках питания с несколькими выходными напряжениями и обеспечивает хорошую одновременную стабилизацию нескольких напряжений. Измерение выходного тока можно выполнить с помощью внешнего резистора, а работа CV/CC очень точна и не зависит от каких-либо внешних компонентов. Опционально возможны решения с защитой от пониженного напряжения с автоматическим перезапуском и возможностью временной перегрузки (временная подача большей мощности).
Минимальный размер и низкий пусковой ток
Чтобы еще больше сократить количество компонентов и повысить эффективность источников питания переменного/постоянного тока, разработчики, использующие семейство InnoSwitch3 PowiGaN, могут также использовать микросхему MinE-CAP, чтобы использовать фильтрующий конденсатор меньшего размера и уменьшить пусковой ток. MinE-CAP может уменьшить объем входных конденсаторов до 50% и устраняет необходимость в термисторе NTC для ограничения пускового тока. Использование MinE-CAP также снижает нагрузку на входной выпрямитель и предохранитель, что повышает надежность.
Чип MinE-CAP позволяет использовать фильтрующий конденсатор меньших габаритов и выполняет функцию ограничителя пускового тока
Как и InnoSwitch3, чипы MinE-CAP также используют транзисторы PowiGaN. Эта схема автоматически подключает и отключает дополнительный вспомогательный конденсатор фильтра в зависимости от мгновенного напряжения в сети переменного тока. Это позволяет использовать главный конденсатор меньшего размера (CHV на рисунке), который работает при высоком сетевом напряжении переменного тока, при этом большая часть накопленной энергии помещается в конденсаторы с более низким номинальным напряжением (CLV), используемые при низком входном напряжении. Так как конденсаторы более низкого напряжения имеют гораздо меньшие размеры, чем конденсаторы высокого напряжения, использование системы MinE-CAP позволяет уменьшить их габариты без ухудшения параметров – без увеличения уровня пульсаций и необходимости переделки силового трансформатора.
Использование MinE-CAP уменьшает размер источников питания так же эффективно, как и увеличение частоты коммутации для уменьшения размера трансформатора. Схемы MinE-CAP не требуют большого количества дополнительных компонентов и устраняют проблемы проектирования, такие как более высокие электромагнитные помехи или результирующие колебания паразитных реактивных сопротивлений.
Power Integrations также предоставляет программное обеспечение PI Expert, помогающее проектировать блокирующие преобразователи переменного/постоянного тока с использованием семейства продуктов InnoSwitch3 с силовыми транзисторами PowiGaN. PI Expert имеет простой в использовании пользовательский интерфейс с графическим интерфейсом и на основе спецификаций выбранных компонентов автоматически создает образцы решений по питанию и предоставляет всю информацию, необходимую для создания и тестирования прототипа преобразователя. Используя PI Expert, дизайнеры могут подготовить полный проект за считанные минуты.
Проектирование блоков питания с использованием InnoSwitch3 PowiGaN такое же, как и для кремниевых версий. Этот инструмент автоматически вносит любые изменения, необходимые для правильного согласования проектов на основе PowiGaN, и создает интерактивную схему, компиляцию необходимых компонентов, электрические спецификации и рекомендации по компоновке печатных плат. Результат операции также включает конструкцию магнитных элементов, включая тип сердечника, толщину проводов, количество витков и слоев в каждой обмотке и даже инструкцию по намотке.
В общем семейство контроллеров квазирезонансных барьерных преобразователей InnoSwitch3 со встроенными силовыми GaN-транзисторами позволяет быстро спроектировать высокоэффективный малогабаритный источник питания мощностью до 100 Вт без рисков, обычно связанных с внедрением новой технологии. Кроме того, использование в проекте драйвера MinE-CAP позволяет уменьшить размер необходимого фильтрующего конденсатора и обеспечить более низкое значение пускового тока.
