Klik hier voor de Engelse versie van de broncode.

Hoe geïntegreerde GaN-schakelaars gebruiken voor uiterst efficiënte, kosteneffectieve offline voedingen

Door Jeff Shepard

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Het aantal toepassingen voor compacte 100-watt voedingen blijft toenemen, van AC-DC laders en adapters, USB power delivery (PD) laders en snellaadadadadapters (QC), tot LED-verlichting, witgoed, motoraandrijvingen, slimme meters, en industriële systemen. Voor ontwerpers van deze offline flyback-voedingen is het een uitdaging om de robuustheid en betrouwbaarheid te waarborgen, en tegelijkertijd de kosten te blijven verlagen, de efficiëntie te verbeteren en de vormfactor te verkleinen voor een hogere vermogensdichtheid.

Om veel van deze problemen op te lossen, kunnen ontwerpers vermogensschakelaars van silicium (Si) vervangen door schakelaars op basis van technologieën met een brede bandkloof (WBG), zoals galliumnitride (GaN). Dit vertaalt zich rechtstreeks in een verbeterde efficiëntie van de voeding en een verminderde behoefte aan koeling, wat een hogere vermogensdichtheid mogelijk maakt. Vergeleken met Si zijn GaN-schakelaars echter moeilijker aan te drijven.

Ontwerpers kunnen de problemen in verband met hoge schakelsnelheden, zoals zwervende inductantie en capaciteit en hoogfrequente oscillaties, oplossen, maar dit vergt extra ontwikkelingstijd en -kosten. In plaats daarvan kunnen ontwerpers zich wenden tot sterk geïntegreerde offline flyback switcher IC's met interne GaN-voedingsapparaten.

Dit artikel bespreekt kort de voordelen van GaN en de ontwerpuitdagingen. Vervolgens worden drie geïntegreerde offline flyback switcher IC-platforms met interne GaN-vermogensschakelaars van Power Integrations voorgesteld en wordt getoond hoe deze kunnen worden gebruikt om hoogrendementsvermogensconverterontwerpen te produceren. Aanvullende MinE-CAP bulkcondensator miniaturisatie en inrush management IC's worden besproken, evenals een nuttige online ontwerpomgeving.

Wat is GaN en wat is er zo goed aan?

GaN is een WBG halfgeleidermateriaal dat in vergelijking met Si een lage "aan"-weerstand, een hoge doorslagweerstand, hoge schakelsnelheden en een hoog warmtegeleidingsvermogen heeft. Het gebruik van GaN in plaats van Si maakt de fabricage mogelijk van schakelaars met veel lagere schakelverliezen bij in- en uitschakelen. Bovendien zijn GaN-elementen met een equivalente aan-weerstand veel kleiner dan hun Si tegenhangers. Als gevolg daarvan heeft een GaN-vermogensschakelaar bij een gegeven matrijsgrootte lagere gecombineerde geleidings- en schakelverliezen (figuur 1).

Grafiek van GaN-apparaten hebben lagere aan-weerstandAfbeelding 1: Voor een gegeven matrijsgrootte hebben GaN-elementen een lagere aanloopweerstand, wat leidt tot lagere totale verliezen, vergeleken met Si MOSFET's. (Bron afbeelding: Power Integrations)

Hoewel GaN duidelijke voordelen heeft, kan het moeilijk zijn om er een ontwerp in te maken. Door de extreem hoge schakelsnelheden van GaN-componenten kunnen bijvoorbeeld de lay-outs van aandrijfcircuits zeer gevoelig zijn voor zwerfinducties en -capaciteiten van de printplaat en van discrete GaN-pakketten. De snelle spanningsschommelingen (dv/dt) en hoogfrequente oscillaties die kunnen optreden bij het aansturen van GaN-apparaten, veroorzaken meer elektromagnetische interferentie (EMI) die moet worden uitgefilterd om te voorkomen dat de converter minder efficiënt gaat werken. Ook maakt het snelle schakelen van GaN-apparaten het moeilijk ze te beschermen tegen storingen, aangezien die de apparaten sneller kunnen beschadigen dan de beveiligingsschakelingen kunnen reageren.

Eenvoud zonder in te boeten aan prestaties

Power Integrations heeft deze complexe problemen aangepakt met zijn quasi-resonante InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP, en InnoSwitch3-Pro PowiGaN switcher IC's (Afbeelding 2). PowiGaN is de intern ontwikkelde GaN-vermogensschakeltechnologie van Power Integrations, die de traditionele siliciumtransistors aan de primaire zijde van de InnoSwitch3 offline flyback switcher IC's vervangt. In plaats daarvan integreert hij primaire, secundaire en terugkoppelingscircuits in één enkel InSOP-24D-pakket (SMD). Hierdoor verminderen de apparaten de complexiteit van de driverlay-out en de EMI-ontwikkeling, terwijl ook de geleidings- en schakelverliezen worden beperkt, waardoor efficiëntere, lichtere en kleinere adapters en laders, en voedingen met open frame mogelijk worden.

Dankzij deze aanpak kunnen ontwerpers van voedingen zich concentreren op vermogensafgifte, thermische prestaties, vormfactoren en andere toepassingsoverwegingen, zonder afgeleid te worden door de uitdagende GaN-technologie.

Afbeelding van Power Integrations InnoSwitch3 offline flyback switcher IC's met GaN-schakelaarsAfbeelding 2: InnoSwitch3 offline flyback switcher IC's met GaN-schakelaars worden geleverd in het ruimtebesparende InSOP-24D pakket. (Bron afbeelding: Power Integrations)

De drie InnoSwitch3-families met PowiGaN-technologie zijn geoptimaliseerd voor specifieke klassen van toepassingen:

  • InnoSwitch3-CP is bedoeld voor toepassingen zoals het opladen van batterijen, die baat kunnen hebben bij een constant stroomprofiel.
  • InnoSwitch3-EP is bedoeld voor open-frame AC-DC-voedingen in een reeks consumenten- en industriële toepassingen.
  • InnoSwitch3-Pro-apparaten zijn voorzien van een digitale I²C-interface voor softwarebesturing van constante spannings- (CV) en constante stroom (CC) setpoints, veiligheidsmodusopties en afhandeling van uitzonderingen.

De InnoSwitch3 IC's bieden quasi-resonante regeling, tot 95% efficiëntie over het volledige belastingsbereik, ondersteuning van nauwkeurige CV, CC en constant vermogen (CP) uitgangen om te voldoen aan een verscheidenheid van toepassingsvereisten, en omvatten verliesvrije stroomgevoelige technologie. Dit laatste elimineert de noodzaak van externe stroomdetectieweerstanden die de efficiëntie verminderen, en die zelfs de weerstand van veel GaN-schakelaars in discrete ontwerpen kunnen overtreffen.

Andere belangrijke kenmerken van de schakelaars zijn detectie van de secundaire zijde, een speciale driver voor een synchrone gelijkrichtende MOSFET, geïntegreerde FluxLink inductieve koppeling feedbackverbinding tussen de primaire zijde en de secundaire zijde regelaars met >4.000 volt wisselstroom (VAC) isolatie, naleving van wereldwijde energie-efficiëntie-eisen, lage EMI, naleving van veiligheids- en regelgevingsvoorschriften (UL1577 en TUV (EN60950 en EN62368) veiligheidsgoedkeuring), en onmiddellijke transiënte respons voor 100% belastingsstappen.

Digitaal bestuurbare offline CV/CC QR flyback switcher IC's

Ontwerpers van multi-chemie en multi-protocol batterijladers, instelbare CV en CC LED ballasten, hoog-efficiënte USB PD 3.0+ programmeerbare voedingen (PPS), QC adapters, en soortgelijke toepassingen kunnen profiteren van het gebruik van de volledig programmeerbare InnoSwitch3-Pro ICs, waaronder de INN3378C, INN3379C, en INN3370C die kunnen worden gebruikt in AC-DC adapters die tot 90 watt leveren, en open frame AC-DC voedingen tot 100 watt (Tabel 1). Deze toestellen zijn ook nuttig wanneer een fijne regeling van de uitgangsstroom en de spanning nodig is (10 millivolt (mV) en 50 milliampère (mA) stappen worden ondersteund).

Tabel van InnoSwitch3-Pro IC'sTabel 1: InnoSwitch3-Pro IC's zijn geschikt voor 230 VAC ±15% input en 85 tot 265 VAC input. (Bron tabel: Power Integrations)

De I²C-interface in de InnoSwitch3-Pro-apparaten vereenvoudigt de ontwikkeling en productie van volledig programmeerbare voedingen (Afbeelding 4). Het maakt dynamische regeling van uitgangsstroom en -spanning mogelijk. Het kan worden gebruikt voor het configureren van de stroomvoorziening, regel CV-, CC- en CP-instelpunten, beveiligingsinstellingen zoals overspannings- en onderspanningsdrempels, en het verwerken van storingsmeldingen. De geïntegreerde 3,6-volt voeding kan worden gebruikt om een externe microcontroller (MCU) van stroom te voorzien. Bovendien voldoet het <30 milliwatt (mW) no-load stroomverbruik (inclusief de sense line en MCU) aan alle wereldwijde vereisten voor energie-efficiëntie.

Schema van Power Integrations InnoSwitch3-Pro IC's bevatten een I²C-interfaceAfbeeldinh 3: De InnoSwitch3-Pro IC's zijn voorzien van een I²C-interface voor volledige digitale besturing en bewaking, en een geïntegreerde 3,6 volt voeding (uVCC) om een externe MCU van stroom te voorzien. (Bron afbeelding: Power Integrations)

Hardware configureerbare oplossingen

Voor toepassingen die geen digitale programmeerbaarheid of bewaking vereisen, biedt Power Integrations de InnoSwitch3-CP (Afbeelding 5) en -EP-families van hardware configureerbare oplossingen. Net als de InnoSwitch3-Pro bevatten de InnoSwitch3-CP- en InnoSwitch-EP-apparaten primaire en secundaire controllers en een versterkte isolatie die geschikt is voor >4000 VAC in één IC.² De beveiligingsfuncties omvatten overvoltage- en overstroombegrenzing van de uitgang, overvoltage- en onderspanningsbeveiliging van de AC-lijn, en uitschakeling bij te hoge temperatuur. De apparaten hebben een hoge ruisimmuniteit, waardoor ontwerpen mogelijk zijn die voldoen aan de EN61000-4 klasse "A" prestatieniveaus.

Schema van Power Integrations InnoSwitch3-CP in een typische toepassing met de FluxLink inductieve koppeling feedback-aansluitingAfbeelding 4: Afgebeeld is de InnoSwitch3-CP in een typische toepassing met de FluxLink inductieve koppeling feedbackverbinding (stippellijn) tussen de regelaars aan primaire en secundaire zijde. (Bron afbeelding: Power Integrations)

Ontwerpers van hoogrendement flyback converters tot 100 watt, voor toepassingen zoals USB PD, QC adapters, en soortgelijke toepassingen, kunnen profiteren van het gebruik van InnoSwitch3-CP apparaten zoals de INN3278C, INN3279C, en INN3270C (Tabel 2). Deze QR-switcher-IC's zijn voorzien van CV- en CC-modi met constante voedingsprofielen, en zij ondersteunen standaardcombinaties van vergrendeling en auto-herstart. Compensatie van kabeldrop is een optionele functie.

Tabel van de vermogenswaarden van de InnoSwitch3-CP familie voor adapter- en open frame ontwerpenTabel 2: Vermogensniveaus van de InnoSwitch3-CP-familie voor adapter- en open frame-ontwerpen. (Bron afbeelding: Power Integrations)

Voor toepassingen zoals elektriciteitsmeters, industriële en smart grid voedingen, standby en bias power voor witgoed, consumentenproducten en computers die geen constant vermogen gebruiken, kunnen ontwerpers kiezen uit de InnoSwitch3-EP apparaten zoals de INN3678C, INN3679C, en INN3670C (Tabel 3).

Tabel van InnoSwitch3-EP IC's zijn nominaal voor vol vermogen bij 230 VAC ±15%Tabel 3: InnoSwitch3-EP IC's zijn geschikt voor vol vermogen bij 230 VAC ±15% en gereduceerd vermogen met een breed ingangsbereik van 85 tot 265 VAC. (Bron afbeelding: Power Integrations)

InnoSwitch3-EP apparaten ondersteunen een goede multi-output cross-regulatie. De uitgangsstroomdetectie is regelbaar met een externe weerstand, terwijl de CV/CC-prestaties zeer nauwkeurig zijn en onafhankelijk van externe componenten. Deze QR flyback switcher IC's zijn verkrijgbaar met optionele auto-restart onderspanningsbeveiliging aan de uitgang en kunnen worden besteld met standaard of piekvermogen levering opties.

Verkleining van bulkcondensatoren en beheer van inschakelstromen

Om het aantal componenten verder te beperken en de prestaties van AC-DC voedingen te verbeteren, kunnen ontwerpers die gebruik maken van een InnoSwitch3 PowiGaN IC ook gebruik maken van de aanvullende MinE-CAP bulk condensator miniaturisatie en inrush management IC voor ontwerpen met een zeer hoge vermogensdichtheid (Afbeelding 8). MinE-CAP kan het volume van ingangsbulkcondensators tot 50% verminderen, en maakt een thermistor met negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) overbodig om de inschakelstroom te beperken. Het gebruik van MinE-CAP verlaagt ook de spanningen op de bruggelijkrichter en de zekering, waardoor de betrouwbaarheid van de voeding toeneemt.

Schema van Power Integrations MinE-CAP bulk condensator IC (klik om te vergroten)Afbeelding 5: De MinE-CAP-bulkcondensatorminiaturisatie en inrush management IC is een natuurlijke aanvulling op de InnoSwitch3 offline flyback switcher IC's in high-density AC-DC voedingen. (Bron afbeelding: Power Integrations)

Net als de InnoSwitch3 IC's maakt de MinE-CAP gebruik van de kleine afmetingen en lage weerstand van PowiGaN-apparaten om de systeemprestaties te verbeteren. MinE-CAP verbindt en ontkoppelt automatisch segmenten van het bulkcondensatornetwerk, afhankelijk van de AC-lijnspanning. Dit stelt ontwerpers in staat de kleinste bulkcondensator (CHV in Afbeelding 8) te gebruiken voor hoge AC lijnspanningswerking, terwijl het grootste deel van de energieopslag in condensatoren met een lager voltage (CLV) wordt geplaatst voor gebruik onder lage lijnvoorwaarden. Aangezien laagspanningscondensatoren aanzienlijk kleiner zijn dan hoogspanningscondensatoren, vermindert het gebruik van MinE-CAP de totale omvang van de ingangscondensatoren zonder dat dit ten koste gaat van het rendement of de uitgangsrimpel, en zonder dat een nieuw ontwerp van de vermogenstransformator nodig is.

Het gebruik van MinE-CAP vermindert de omvang van voedingen net zo effectief als het verhogen van de schakelfrequentie om de transformatorgrootte te verkleinen. MinE-CAP oplossingen gebruiken minder componenten en elimineren hoogfrequent ontwerpuitdagingen zoals verhoogde transformator/clamp dissipatie en hogere EMI.

Online ontwerphulpmiddelen

Power Integrations biedt ook PI Expert om het ontwerp van offline flyback AC-DC voedingen te versnellen met behulp van de InnoSwitch3-lijn van PowiGaN geïntegreerde offline flyback switcher IC's. Gebouwd rond een geautomatiseerde grafische gebruikersinterface (GUI), gebruikt PI Expert de specificaties van de stroomvoorziening om automatisch een oplossing voor de stroomconversie te genereren. Het verschaft ontwerpers alle details die nodig zijn om een prototype vermogensomzetter te bouwen en te testen. Met PI Expert kunnen ontwerpers in enkele minuten een compleet ontwerp maken.

Ontwerpen met op PowiGaN gebaseerde InnoSwitch3 IC's is hetzelfde als het gebruik van op Si-gebaseerde InnoSwitch3 apparaten. PI Expert werkt op dezelfde manier bij het optimaliseren van schakelfrequentie, EMI filtering, transformatorontwerp, biasing en synchrone gelijkrichting voor PowiGaN en Si toestellen. Het gereedschap voert automatisch alle wijzigingen door die nodig zijn om tegemoet te komen aan het hogere vermogen van op PowiGaN gebaseerde ontwerpen. Het instrument produceert een interactief schakelschema, een volledige BOM, gedetailleerde elektrische parameters en aanbevelingen voor printplaatlay-out. De resultaten omvatten ook een volledig magnetisch ontwerp met kerngrootte, draaddikte, aantal parallelle draden, aantal windingen in elke wikkeling, en de wikkelinstructies voor mechanische assemblage.

Conclusie

Ontwerpers moeten de vermogensdichtheid verhogen, de kosten verlagen en de ontwikkelingstijd verkorten van offline voedingen van 100 watt voor toepassingen die variëren van AC-DC laders en adapters tot industriële systemen. Het gebruik van GaN WGB-technologie kan helpen, maar het ontwerpen met GaN vereist zorgvuldige aandacht voor de lay-out van de printplaat en andere zaken die verband houden met het schakelen met hoge snelheid.

Zoals aangetoond, stelt een meer geïntegreerde aanpak op basis van InnoSwitch3 QR flyback switcher IC's ontwerpers in staat elegante, hoog-efficiënte vermogensomzetters te ontwikkelen die de prestatievoordelen van GaN-schakelaars bieden, en tegelijk de risico's te beperken die gewoonlijk gepaard gaan met het invoeren van een nieuwe technologie.

Door gebruik te maken van de InnoSwitch3, in combinatie met de MinE-CAP IC van Power Integrations voor het beheer van de inschakelstroom en de miniaturisatie van de bulkcondensator, en de PI Expert online ontwerptools van het bedrijf, kunnen ontwerpers sneller compacte, robuuste, kosteneffectieve voedingen implementeren met een laag aantal componenten die voldoen aan de wereldwijde efficiëntienormen.

Aanbevolen leesmateriaal

  1. Een AC/DC-schakelaar bouwen is eenvoudig met PI Expert

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key