Slik bruker du integrerte GaN-switcher for høyeffektive, kostnadseffektive offline (frakoblede) strømforsyninger som ikke er direkte tilkoplet

Utvalget av utrustninger for kompakte 100-watt strømforsyninger fortsetter å øke, fra AC-DC-ladere og -adaptere, USB-ladere (PD) og hurtigladere (QC) til LED-belysning, hvitevarer, motordrivere, smarte målere og industrielle systemer. For designere av disse offline (frakoblede) strømforsyningene med tilbakeløp, er utfordringen å sikre robusthet og pålitelighet, samtidig som du fortsetter å senke kostnadene, forbedre virkningsgraden og redusere den fysiske størrelsen for høyere strømtetthet.

For å løse mange av disse problemene kan designere erstatte effektswitcher av silisium (Si) med enheter basert på bredbåndsteknologi (WBG) som galliumnitrid (GaN). Dette fører direkte til forbedret strømforsyningseffektivitet og redusert behov for oppvarming, noe som muliggjør høyere effekttetthet. Sammenlignet med Si er imidlertid GaN-switchene vanskeligere å drive.

Designere kan overvinne problemene som er forbundet med raske vekslingshastigheter, som for eksempel lekkasjeinduktans og kapasitans og høyfrekvente svingninger, men å gjøre det tar ekstra utviklingstid og kostnad. I stedet kan designere bruke høyt integrerte offline switcher-IC-er med flyback (tilbakeløp) med innebygde GaN-effektenheter.

Denne artikkelen tar kort for seg fordelene med GaN, samt designutfordringer. Deretter introduseres tre integrerte plattformer for offline switcher IC-er med flyback (tilbakeløp) med interne GaN strømbrytere fra Power Integrations og viser hvordan de kan brukes til å produsere høyeffektive strømomformerkonstruksjoner. Vi tar for oss den komplementære IC MinE-CAP for miniatyrisering av bulkkondensatorer og håndtering av innkoblingsstrøm (innkoblingsstrømstøt, i tillegg til et nyttig designmiljø som er tilgjengelig via nett.

Hva er GaN og hva er så bra med det?

GaN er et WBG-halvledermateriale som sammenlignet med silisium (Si) har lav «på»-motstand, høy gjennombruddsstyrke, raske svitsjehastigheter og høy varmeledningsevne. Bruk av GaN i stedet for silisium (Si) muliggjør produksjon av brytere som har mye lavere brytertap under på- og avslåing. I tillegg er GaN-enheter med tilsvarende motstand på er mye mindre enn sine silisium (Si)-motparter. Som et resultat, for en gitt form, har en GaN-effektswitch lavere samlet ledningstap og brytertap (figur 1).

Figur 1: For en gitt støpestørrelse har GaN-enheter lavere motstand, noe som fører til lavere totale tap, sammenlignet med silisium-MOSFET-er (Si MOSFET-er). (Bildekilde: Power Integrations)

Mens GaN har klare fordeler, kan det være utfordrende å designe inn i en konstruksjon. På grunn av de ekstremt raske svitsjehastighetene til GaN-enheter, kan for eksempel drivkretslayouter være svært følsomme for avvikende induktanser og kapasitanser fra kretskortet og fra frittstående (diskrete) GaN-kapslinger. De raske spenningssvingningene (dv/dt) og høyfrekvente svingningene som kan oppstå når du driver GaN-enheter, skaper mer elektromagnetisk interferens (EMI) som må filtreres bort for å hindre en reduksjon i konverterens virkningsgrad. Den raske byttingen av GaN-enheter gjør det også vanskelig å beskytte dem mot feiltilstander, da de kan skade enhetene raskere enn beskyttelseskretser kan reagere.

Enkelhet uten å ofre ytelse

Power Integrations har håndtert disse kompleksitetene med sine kvasi-resonante InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP og InnoSwitch3-Pro PowiGaN-switcher-IC-er (figur 2). PowiGaN er Power Integrations ’internt utviklede GaN strømbryterteknologi som erstatter de tradisjonelle silisiumtransistorene på primærsiden av switcher-IC-er InnoSwitch3 med offline tilbakekobling (flyback). I stedet integrerer den primære, sekundære og tilbakemeldingskretser i en eneste, overflatemontert enhet (surface mount device – SMD) i en InSOP-24D-kapsling. Dermed reduserer enhetene kompleksiteten i driveroppsettet og EMI-genereringen, samtidig som de reduserer lednings- og vekslingstap, Dette muliggjør konstruksjon av adaptere og ladere, samt strømforsyninger med åpen ramme i mindre størrelse med høyere virkningsgrad som har lettere vekt og er mindre i størrelse.

Ved hjelp av denne tilnærmingen kan strømforsyningsdesignere fokusere på strømlevering, termisk ytelse, formfaktorer og andre hensyn til utrustning, uten å bli distrahert av den utfordrende GaN-teknologien.

Figur 2: Switcher-IC-er InnoSwitch3 med offline tilbakekobling (flyback) med GaN-switcher leveres i den plassbesparende InSOP-24D-kapslingen. (Bildekilde: Power Integrations)

De tre InnoSwitch3-familiene med PowiGaN-teknologi er optimalisert for spesifikke bruksområder:

• InnoSwitch3-CP er for bruksområder, som for eksemeel batterilading, som kan dra nytte av en konstant strømprofil.
• InnoSwitch3-EP er for AC-DC strømforsyninger med åpen ramme i en rekke forbruker- og industrielle apparater.
• InnoSwitch3-Pro-enheter inkluderer et digitalt I²C -grensesnitt for programvarekontroll av innstillingspunkter for konstant spenning (constant voltage – CV) og konstant strøm (constant current – CC), alternativer for sikkerhetsmodus og håndtering av unntak.

InnoSwitch3 IC-ene har kvasi-resonanskontroll, opptil 95 % virkningsgrad over hele belastningsområdet, støtter nøyaktig CV-, CC- og CP-utganger (konstant effekt) for å oppfylle en rekke krav til utrustning, og inkluderer tapfri strømavkjenningsteknologi. Sistnevnte eliminerer behovet for eksterne strømfølsomme motstander som reduserer effektiviteten, som til og med kan overskride motstanden til mange GaN-switcher i frittstående (diskrete) utforminger.

Andre viktige trekk ved bryterne inkluderer sekundærside-deteksjon, en dedikert driver for en synkron utligning MOSFET, integrert FluxLink induktiv kobling tilbakemeldingstilkobling mellom primærsiden og sekundærsidekontrollere med> 4000 volt vekselstrømisolasjon (VAC-isolasjon), samsvar med global energieffektivitet krav, lav EMI, sikkerhet og forskriftsoverensstemmelse (UL1577 og TUV (EN60950 og EN62368) sikkerhetsgodkjent), og øyeblikkelig forbigående respons for trinn for 100 % last.

Digitalt kontrollerbare offline IC-er for CV/CC QR-flyback switcing

Designere av flerkjemi- og flerprotokollbatteriladere, justerbare CV- og CC LED-ballaster, høyeffektiv USB PD 3.0+ programmerbar strømforsyning (PPS), QC-adaptere og lignende applikasjoner kan dra nytte av å bruke de fullt programmerbare IC-eneInnoSwitch3-Pro, inkludert INN3378C, INN3379C og INN3370C som kan brukes i AC-DC-adaptere som leverer opptil 90 watt, samt AC-DC-strømforsyninger med åpen ramme opptil 100 watt (tabell 1). Disse enhetene er også nyttige når det er nødvendig med fin kontroll av utgangsstrøm og spenningsjustering (trinn på 10 millivolt (mV) og 50 milliampere (mA) støttes).

Tabell 1: InnoSwitch3-Pro IC er klassifisert for drift med 230 VAC inngang med ±15 % , samt 85 til 265 VAC inngang. (Bildekilde: Power Integrations)

I²C-grensesnittet i InnoSwitch3-Pro-enhetene forenkler utviklingen og produksjonen av fullt programmerbare strømforsyninger (figur 4). Det muliggjør dynamisk kontroll av utgangsstrøm og spenning. Den kan brukes til å konfigurere strømforsyningen, kontrollere CV-, CC- og CP-settpunkter, beskyttelsesinnstillinger som terskler for over- og underspenning, samt håndtere rapportering av feil. Den integrerte 3,6-volts forsyningen kan brukes til å drive en ekstern mikrokontroller (MCU). I tillegg oppfyller <30 milliwatt (mW) strømforbruk uten belastning (inkludert følingslinjen og MCU) alle globale energieffektivitetskrav.

Figur 3: InnoSwitch3-Pro IC-ene inkluderer et I²C-grensesnitt for full digital kontroll og overvåking, og en integrert 3,6 volt forsyning (uVCC) for å drive en ekstern MCU. (Bildekilde: Power Integrations)

Maskinvarekonfigurerbare løsninger

For applikasjoner som ikke krever digital programmerbarhet eller overvåking, tilbyr Power Integrations InnoSwitch3-CP (figur 5) og -EP-familier med maskinvarekonfigurerbare løsninger. I likhet med InnoSwitch3-Pro inkluderer InnoSwitch3-CP og InnoSwitch-EP-enhetene primære og sekundære kontrollere og forsterket isolasjon klassifisert for> 4000 VAC i en enkelt IC. Beskyttelsesfunksjoner inkluderer utgangsoverspenning og overstrømbegrensning, overspennings- og underspenningsbeskyttelse for vekselstrømledninger og over-temperaturavstengning. Enhetene har høy støyimmunitet, noe som muliggjør design som oppfyller EN61000-4 klasse "A" ytelsesnivåer.

Figur 4: InnoSwitch3-CP er vist i en typisk applikasjon med FluxLink induktiv koblingstilbakekobling (stiplet linje) mellom primær- og sekundærside-kontrollere. (Bildekilde: Power Integrations)

Designere av høyeffektive flyback-omformere opp til 100 watt, for utrustninger som USB PD, QC-adaptere og lignende utrustninger, kan dra nytte av å bruke InnoSwitch3-CP-enheter somINN3278C, INN3279C og INN3270C (Tabell 2). Disse QR-switcher-IC-ene har CV- og CC-modus med konstante strømprofiler, og de støtter standardkombinasjoner av låsing og automatisk omstart. Kabelfallkompensasjon er en valgfri funksjon.

Tabell 2: Effektvurderinger for InnoSwitch3-CP-familien for adapter og design med åpen ramme. (Bildekilde: Power Integrations)

For bruksområder som strømmålere, industrielle og smarte nettstrømforsyninger, standby- og forspenningskraft for hvitevarer, forbrukerprodukter og datamaskiner som ikke bruker konstant strømdrift, kan designere velge fra InnoSwitch3-EP-enheter som INN3678C, INN3679C og INN3670C (Tabell 3).

Tabell 3: InnoSwitch3-EP ICer er vurdert for full effekt ved 230 VAC ± 15% og redusert effekt med et bredt inngangsområde på 85 til 265 VAC. (Bildekilde: Power Integrations)

InnoSwitch3-EP-enheter støtter god kryssregulering med flere utganger. Utgangsstrømføleren er justerbar med en ekstern motstand, mens CV / CC-ytelsen er veldig nøyaktig og uavhengig av eventuelle eksterne komponenter. Disse IC-ene for QR-flyback switcing er tilgjengelige med valgfri automatisk omstart utgangsspenningsbeskyttelse og kan bestilles med standardeffekt- eller toppeffekt-alternativer.

Miniatyrisering av bulkkondensatorer og håndtering av innkoblingsstrøm (innkoblingsstrømstøt)

For å redusere antallet komponenter ytterligere, samt forbedre ytelsen til AC-DC-strømforsyninger (vekselstrøm-likestrøm), kan designere som bruker en IC-en InnoSwitch3 PowiGaN også bruke den komplementære IC-en MinE-CAP for miniatyrisering av bulkkondensatorer og håndtering av innkoblingsstrøm (innkoblingsstrømstøt) for konstruksjoner med veldig høy effekttetthet (Figur 8). MinE-CAP kan redusere volumet av inngående massekondensatorer opptil 50 %, og det eliminerer behovet for en termistor med negativ temperaturkoeffisient (NTC) for begrensning av innkoblingsstrøm (innkoblingsstrømstøt). Bruken av MinE-CAP senker også påkjenningene på inngangsbroens likeretter og sikring, noe som resulterer i forbedret pålitelighet for strømforsyning.

Figur 5: IC-en MinE-CAP for en for miniatyrisering av bulkkondensatorer og håndtering av innkoblingsstrøm (innkoblingsstrømstøt) er et naturlig supplement til IC-en InnoSwitch3 PowiGaN med offline tilbakekobling (flyback) for switching i AC-DC-strømforsyninger (vekselstrøm-likestrøm). (Bildekilde: Power Integrations)

I likhet med InnoSwitch3 IC-er, utnytter MinE-CAP den lille størrelsen og lave motstanden til PowiGaN-enheter for å gi økt systemytelse. MinE-CAP kobler og frakobler automatisk segmenter i bulk kondensatornettverk avhengig av spenningsforhold på linjespenningen på AC-linjen (vekselstrømlinjen) . Dette gjør det mulig for designere å bruke den minste kondensatoren (C_HV i figur 8) for høy AC vekselstrømsdrift mens du plasserer det meste av energilagringen i kondensatorer med lavere spenning (C_LV) for bruk under lave linjeforhold. Siden lavere spenningskondensatorer er betydelig mindre enn høyspenningskondensatorer, vil bruken av MinE-CAP reduserer den totale størrelsen på de inngående bulkkondensatorene, uten reduksjon i virkningsgrad, uten økning i utgående rippel, og uten å kreve omforming av strømtransformatoren.

Bruk av MinE-CAP reduserer størrelsen på strømforsyningene like effektivt som å øke vekslingsfrekvensen for å redusere transformatorstørrelsen. MinE-CAP-løsninger bruker færre komponenter og eliminerer høyfrekvente designutfordringer som økt avledning fra transformator/klemmer, samt høyere EMI.

Designverktøy på nett

Power Integrations tilbyr også PI-ekspert for å øke utformingen av offline flyback-AC-DC-strømforsyninger ved hjelp av InnoSwitch3-serien av PowiGaN integrerte offline flyback switcher ICer. Bygget rundt et automatisert grafisk brukergrensesnitt (GUI), bruker PI Expert strømforsyningsspesifikasjoner for automatisk å generere en strømkonverteringsløsning. Det gir designere alle detaljene som trengs for å bygge og teste en prototype kraftomformer. Ved hjelp av PI Expert kan designere vise seg et komplett design på få minutter.

Design med PowiGaN-baserte InnoSwitch3 ICer er det samme som å bruke Si-baserte InnoSwitch3-enheter. PI Expert fungerer på samme måte når du optimaliserer bryterfrekvens, EMI-filtrering, transformatorkonstruksjon, forspenning og synkron utbedring for PowiGaN-enheter og silisium-enheter (Si-enheter). Verktøyet implementerer automatisk alle endringer som trengs for å imøtekomme den høyere kraften i PowiGaN-baserte design. Verktøyet produserer et interaktivt kretsskjema, komplett materialliste (deleliste), detaljerte elektriske parametere og anbefalinger for layout av kretskort. Resultatene inkluderer også en komplett magnetisk design med kjernestørrelse, trådtykkelse, antall parallelle ledninger, antall svinger i hver vikling og viklingsinstruksjonene for mekanisk montering.

Konklusjon

Designere må øke effekttettheten, redusere kostnadene og redusere utviklingstiden for offline 100 watt strømforsyninger for applikasjoner som spenner fra AC-DC-ladere og adaptere til industrielle systemer. Bruk av GaN WGB-teknologi kan hjelpe, men design med GaN krever nøye oppmerksomhet om tavleoppsett og andre problemer forbundet med høyhastighets bytte.

Som vist, gir en mer integrert tilnærming basert på IC-ene for QR-flyback-switcing InnoSwitch3-IC designere muligheten til å utvikle elegante, høyvirksomme strømomformere som gir ytelsesfordelene ved GaN-switcher, samtidig som de reduserer risikoene som vanligvis er forbundet med å ta i bruk en ny teknologi.

Ved hjelp av InnoSwitch3, kombinert med Power Integrations sub IC-en MinE-CAP for håndtering av innkoblingsstrøm (innkoblingsstrømstøt) og miniatyrisering av bulkkondensatorer, så vel som selskapets designverktøy på nett PI Expert, kan designere raskere implementere kompakte, robuste, kostnadseffektive strømforsyninger med lavt antall komponenter som møter globale standarder for virkningsgrad.

Anbefalt lesing

1. Å bygge en AC / DC-bryter er enkelt med PI Expert