作者@@：Jeff Shepard，来源@@：得捷电子@@@@DigiKey
紧凑型@@ 100 瓦电源@@的@@@@应用范围不断增加@@，从@@ AC-DC 充电器和@@适配器@@@@、USB 供电@@ (PD) 充电器和@@快速充电@@(QC) 适配器@@，到@@ LED 照明@@、白色家电@@、电机驱动@@@@、智能仪表@@和@@工业系统等@@。对于这些@@离线反激式电源@@的@@@@设计者来说@@，面临的@@挑战是@@如@@何确保稳健性和@@可靠性@@，同时继续降低@@成本@@@@，提高@@效率@@，缩小外形尺寸以提高@@功率密度@@。
为了解决其中@@的@@@@许多问题@@，设计者可以用基于@@宽带隙@@ (WBG) 技术@@的@@器件@@@@ (GaN) 来取代硅@@ (Si) 功率开关@@@@。这样做直接转化为提高@@电源@@效率和@@减少对散热器的@@需求@@，从@@而@@实现更高@@的@@功率密度@@。然而@@@@，与@@硅@@相比@@@@，氮化镓@@开关@@更难驱动@@@@。
设计师可以克服与@@快速开关@@速度有关的@@问题@@，如@@杂散电感和@@电容以及@@高频振荡@@，但这样做需要增加开发时间和@@成本@@。相反@@，设计者可以转向高度集成的@@@@离线反激式转换开关@@@@@@@@@@ IC，其内部装有氮化镓@@功率器件@@@@。
本文简要讨论了氮化镓@@的@@优势及其设计挑战@@。然后@@，介绍了@@Power Integrations的@@三个带有@@内部氮化镓@@功率开关@@@@的@@集成离线反激式转换开关@@@@@@@@@@@@ IC 平台@@，并说明如@@何使用@@它们来制作高效@@率的@@电源@@转换器设计@@。最后讨论了互补的@@@@MinE-CAP大容量电容器小型化和@@浪涌管理@@ IC，以及@@一个有用的@@在@@线设计环境@@。
什么是@@@@ GaN，它有什么好处@@？
GaN（氮化镓@@）是@@一种@@ WBG 半导体材料@@，与@@硅@@相比@@@@，它具有@@低@@@@“导通@@”电阻@@、高击穿强度@@、快速开关@@速度和@@高热导率等优势@@。使用@@氮化镓@@代替硅@@，可以制造出在@@开启和@@关闭期间具有@@更低@@开关@@损耗的@@开关@@@@。此外@@，具有@@等效导通@@电阻@@的@@氮化镓@@器件@@比它们的@@同类产品小得多@@。因此@@，在@@既定芯片尺寸下@@，氮化镓@@功率开关@@@@具有@@较低@@的@@综合传导损耗和@@开关@@损耗@@（图@@ 1）。
图@@ 1：在@@给定的@@芯片尺寸下@@，与@@硅@@ MOSFET 相比@@，GaN 器件@@的@@导通@@电阻@@更低@@@@，导致总损耗更低@@@@。（图@@片@@来源@@@@：Power Integrations）
虽然氮化镓@@具有@@明显的@@优势@@，但它在@@设计上可能具有@@挑战性@@。例如@@@@，由于@@ GaN 器件@@的@@开关@@速度极快@@，驱动@@电路布局对来自印刷电路板和@@分立@@ GaN 封装@@的@@杂散电感和@@电容可能非常敏感@@。驱动@@ GaN 器件@@时可能出现的@@快速电压波动@@ (dv/dt) 和@@高频振荡会产生更多的@@电磁干扰@@ (EMI)，需要将其过滤掉以防止转换器效率降低@@@@。另外@@，氮化镓@@器件@@的@@快速开关@@特性使得保护它们不受故障条件的@@影响@@变得很困难@@，因为它们损坏器件@@的@@速度比保护电路的@@反应还要快@@。
简洁而@@不牺牲性能@@
Power Integrations 通过其准谐振@@ InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP 和@@ InnoSwitch3-Pro PowiGaN 转换开关@@@@ IC（图@@ 2）解决了这些@@复杂问题@@。PowiGaN 是@@ Power Integrations 内部开发的@@@@ GaN 电源@@开关@@技术@@@@，它取代了@@ InnoSwitch3 离线反激式转换开关@@@@@@@@ IC 初级侧的@@传统硅晶体管@@。相反@@，它将初级@@、次级和@@反馈电路集成在@@一个单一表@@面贴装器件@@@@ (SMD) InSOP-24D 封装@@中@@@@。这样一来@@，这些@@器件@@减少了驱动@@器@@布局的@@复杂性和@@@@EMI 的@@产生@@，同时也减少了传导和@@开关@@损耗@@，使得适配器@@和@@充电器以及@@开放式框架电源@@更有效@@、更轻@@、更小@@。
使用@@这种方法可以使电源@@设计@@者专注于电源@@传输@@、热性能@@、外形尺寸和@@其他应用考虑@@，而@@不会被具有@@挑战性的@@@@ GaN 技术@@所干扰@@。
图@@ 2：InnoSwitch3 离线反激式转换开关@@@@@@@@ IC 带有@@ GaN 开关@@，采用@@节省空间@@的@@@@ InSOP-24D 封装@@。（图@@片@@来源@@@@：Power Integrations）
采用@@ PowiGaN 技术@@的@@三个@@ InnoSwitch3 系列@@针对特定的@@应用类别进行了优化@@。
InnoSwitch3 IC 具有@@准谐振控制@@功能@@，在@@整个负载范围内效率高达@@ 95%，支持@@精确@@ CV、CC 和@@恒定功率@@ (CP) 输出@@，以满足各种应用需求@@，并包含无损电流感应技术@@@@。后者消除了对降低@@效率的@@外部电流感应电阻@@的@@需要@@，这些@@电阻@@甚至@@可以超过许多分立设计中@@的@@@@@@ GaN 开关@@的@@电阻@@@@。
该开关@@的@@其他主要特性包括二次侧感应@@、专用同步整流@@ MOSFET 驱动@@器@@、一次侧和@@二次侧控制@@器间的@@集成@@ FluxLink 电感耦合反馈连接@@、>4,000 伏交流电@@ (VAC) 的@@隔离@@、符合全球能效要求@@、低@@ EMI、符合安全和@@法规@@（UL1577 和@@ TUV（EN60950 和@@EN62368）安全认证@@）以及@@ 100% 载荷步的@@瞬态响应@@。
数字可控的@@离线@@ CV/CC QR 反激式转换开关@@@@@@ IC
多化学和@@多协议电池充电器@@、可调@@ CV 和@@ CC LED 镇流器@@、高效@@USB PD 3.0+ 可编程电源@@@@ (PPS)、QC 适配器@@和@@类似应用的@@设计者可以从@@使用@@完全可编程的@@@@ InnoSwitch3-Pro IC 中@@受益@@，包括可用于提供高达@@ 90 瓦的@@@@ AC-DC 适配器@@和@@高达@@ 100 瓦的@@@@开放式框架@@ AC-DC 电源@@的@@@@ INN3378C、INN3379C 和@@ INN3370C（表@@ 1）。当需要对输出@@电流和@@电压调整进行精细控制@@时@@，这些@@器件@@也很有用@@（支持@@ 10 毫伏@@ (mV) 和@@ 50 毫安@@ (mA) 的@@步阶@@）。
表@@ 1：InnoSwitch3-Pro IC 的@@额定工作电压为@@ 230VAC ±15% 输入@@和@@@@ 85 至@@ 265 VAC 输入@@。（表@@格来源@@@@：Power Integrations）
InnoSwitch3-Pro 器件@@中@@的@@@@@@ I²C 接口@@简化了完全可编程电源@@@@的@@开发和@@生产@@（图@@ 4）。它能对输出@@电流和@@电压进行动态控制@@@@。它可以用来配置电源@@@@、控制@@ CV、CC 和@@ CP 设置点@@、保护设置@@，如@@过压和@@欠压阈值@@，并处理故障报告@@。集成的@@@@ 3.6 伏电源@@@@可用于为外部@@微控制@@器@@ (MCU) 供电@@。此外@@，<30 毫瓦@@ (mW) 的@@空载功耗@@（包括传感线路和@@@@ MCU）符合所有全球能源效率要求@@。
图@@ 3：InnoSwitch3-Pro IC 包括一个@@ I²C 接口@@，用于全数字控制@@和@@监测@@，以及@@一个集成的@@@@@@ 3.6 伏电源@@@@ (uVCC)，为外部@@MCU 供电@@。（图@@片@@来源@@@@：Power Integrations）
硬件可配置解决方案@@
针对不需要数字编程或@@监控的@@应用@@，Power Integrations 提供了@@ InnoSwitch3-CP（图@@ 5）和@@ -EP 系列@@硬件可配置解决方案@@@@。与@@ InnoSwitch3-Pro 一样@@，InnoSwitch3-CP 和@@ InnoSwitch-EP 器件@@包括主控制@@器和@@辅助控制@@器@@，并在@@单个@@ IC 中@@实现了额定电压@@ >4000 VAC 的@@增强隔离@@。保护功能包括输出@@过压和@@过流限制@@，交流线路过压和@@欠压保护@@，以及@@超温关断@@。这些@@器件@@具有@@高抗噪能力@@，能够让设计实现@@ EN61000-4 "A" 级性能水平@@。
图@@ 4：显示的@@是@@@@ InnoSwitch3-CP 的@@典型应用@@，在@@一次侧和@@二次侧控制@@器之间有@@ FluxLink 电感耦合反馈连接@@（虚线@@）。（图@@片@@来源@@@@：Power Integrations）
对于最高@@ 100 瓦的@@@@高效@@反激式转换器的@@设计者来说@@，如@@要让设计用于诸如@@@@ USB PD、QC 适配器@@之类应用@@，就可以使用@@@@ InnoSwitch3-CP 器件@@，如@@ INN3278C、INN3279C 和@@ INN3270C（表@@ 2）。这些@@ QR 转换开关@@@@ IC 具有@@ CV 和@@ CC 模式@@，带有@@恒定的@@电源@@配置文件@@，支持@@锁存和@@自动重启标准组合@@。电缆掉线补偿是@@一个可选功能@@。
表@@ 2：用于适配器@@和@@开放式设计的@@@@ InnoSwitch3-CP 系列@@额定功率@@（表@@格来源@@@@：Power Integrations）
对于像水电气表@@@@、工业和@@智能电网@@电源@@@@、白色家电@@的@@待机和@@偏置电源@@@@、消费产品以及@@不使用@@恒定功率操作的@@计算机这样的@@应用@@，设计人员可选择的@@@@ InnoSwitch3-EP 器件@@如@@@@ INN3678C、INN3679C 和@@ INN3670C（表@@ 3）。
表@@ 3：InnoSwitch3-EP IC 在@@ 230 VAC ±15% 电压实现全额定功率@@，在@@ 85 至@@ 265 VAC 的@@宽输入@@范围内则降额输出@@@@。（表@@格来源@@@@：Power Integrations）
InnoSwitch3-EP 器件@@支持@@良好的@@多输出@@交叉调节@@。输出@@电流感应可通过一个外部电阻@@调节@@，而@@ CV/CC 性能非常准确@@，不受任何外部@@188足彩外围@@app 影响@@。这些@@ QR 反激式转换开关@@@@@@ IC 可选择自动重启输出@@欠压保护@@，并可订购标准或@@峰值功率传输选项@@。
大容量电容器的@@小型化和@@浪涌管理@@
为了进一步减少@@188足彩外围@@app
数量并提高@@@@ AC-DC 电源@@的@@@@性能@@，使用@@ InnoSwitch3 PowiGaN IC 的@@设计人员还可以使用@@互补的@@@@ MinE-CAP 大容量电容器小型化和@@浪涌管理@@ IC 来实现非常高的@@功率密度设计@@（图@@ 8）。MinE-CAP 可以将输入@@大容量电容器的@@体积最高减少@@ 50%，而@@且它不需要限制浪涌电流的@@负温度系数@@ (NTC) 热敏电阻@@@@。MinE-CAP 的@@使用@@也降低@@了输入@@桥式整流器和@@熔断器的@@压力@@，从@@而@@提高@@了电源@@的@@@@可靠性@@。
图@@ 5：MinE-CAP 大容量电容器小型化和@@浪涌管理@@ IC 是@@高密度@@ AC-DC 电源@@中@@@@InnoSwitch3 离线反激式转换开关@@@@@@@@ IC 的@@自然补充@@。（图@@片@@来源@@@@：Power Integrations）
与@@ InnoSwitch3 IC 一样@@，MinE-CAP 利用@@ PowiGaN 器件@@的@@小尺寸和@@低@@导通@@电阻@@来提高@@系统性能@@。MinE-CAP 根据交流线路电压条件@@，自动连接和@@断开大容量电容器网@@络的@@各个部分@@。这样设计者就能够使用@@最小的@@大容量电容器@@（图@@ 8 中@@的@@@@ CHV）进行高交流线路电压操作@@，同时将大部分能量储存放在@@较低@@电压的@@电容器@@(CLV) 中@@，供低@@线路电压条件下使用@@@@。由于@@低@@电压电容器比高电压电容器小得多@@，使用@@ MinE-CAP 可以减少大容量输入@@电容器的@@整体尺寸@@，而@@效率没有降低@@@@，输出@@纹波没有增加@@，也不需要重新设计电源@@变压器@@。
使用@@ MinE-CAP 可以减少电源@@的@@@@尺寸@@，就像增加开关@@频率以缩小变压器尺寸一样@@有效@@。MinE-CAP解决方案使用@@了更少的@@@@188足彩外围@@app
，并消除了高频设计的@@挑战@@，如@@变压器钳位耗散增加和@@@@ EMI 更高@@。
在@@线设计工具@@
Power Integrations 还提供一个叫@@ PI Expert 的@@工具@@，以加快使用@@@@ InnoSwitch3 系列@@ PowiGaN 集成离线反激式转换开关@@@@@@@@@@ IC 的@@离线反激式电源@@的@@@@设计@@。围绕着一个自动化的@@图@@形用户界面@@ (GUI)，PI Expert 使用@@电源@@规格来自动生成一个电源@@转换解决方案@@。它为设计者提供了@@构建和@@测试一个原型电源@@转换器所需的@@所有细节@@。使用@@ PI Expert，设计师可以在@@几分钟内完成一个完整的@@@@设计@@。
使用@@基于@@@@ PowiGaN 的@@ InnoSwitch3 IC 进行设计与@@使用@@基于@@@@硅的@@@@ InnoSwitch3 器件@@相同@@。在@@优化@@ PowiGaN 和@@硅器件@@的@@开关@@频率@@、EMI 滤波@@、变压器设计@@、偏置和@@同步整流时@@，PI Expert 的@@作用是@@相同的@@@@。该工具自动实现任何必要的@@更改@@，以适应基于@@@@ PowiGaN 的@@设计的@@高功率要求@@。该工具会输出@@一个交互式电路原理图@@@@、完整的@@@@ BOM、详细电气参数以及@@对印刷电路板布局的@@建议@@。结果还包括完整的@@@@磁设计@@，包括磁芯尺寸@@、导线厚度@@、并行导线数@@、每个绕组的@@匝数以及@@机械装配的@@绕组说明@@。
结语@@
对于应用范围包括@@ AC-DC 充电器和@@适配器@@@@到@@工业系统的@@离线@@ 100 瓦电源@@来说@@，设计者面临着需要提高@@功率密度@@，降低@@成本@@，以及@@减少开发时间的@@挑战@@。使用@@ GaN WGB 技术@@可以提供帮助@@，但使用@@@@ GaN 设计需要仔细考虑电路板布局以及@@与@@高速开关@@有关的@@其他问题@@。
如@@上所述@@，基于@@ InnoSwitch3 QR 反激式转换开关@@@@@@ IC 的@@更多集成方法@@，能够让设计者开发出优雅@@、高效@@的@@电源@@转换器@@，获得氮化镓@@开关@@的@@性能优势@@，同时降低@@了通常与@@采用@@新技术@@有关的@@风险@@。
使用@@ InnoSwitch3，结合@@ Power Integrations 的@@ MinE-CAP 浪涌电流管理和@@大容量电容器微型化@@ IC，以及@@该公司的@@@@ PI Expert 在@@线设计工具@@，设计者可以更快速地打造出紧凑@@、坚固@@、经济的@@电源@@@@，元器件@@数量更少@@，又符合全球效率标准@@。