Cum se utilizează comutatoarele GaN integrate pentru surse de alimentare offline de înaltă eficiență și eficiente din punct de vedere al costurilor

Gama de aplicații pentru sursele de alimentare compacte de 100 de wați continuă să crească, de la încărcătoare și adaptoare a.c.-c.c., încărcătoare de alimentare cu energie (PD) USB și adaptoare de încărcare rapidă (QC), până la iluminatul cu LED-uri, electrocasnice, motoare, contoare inteligente și sisteme industriale. Pentru proiectanții acestor surse de alimentare cu retur reductor offline, provocarea este să asigure robustețea și fiabilitatea, continuând, în același timp, să scadă costurile, să îmbunătățească eficiența și să reducă factorul de formă pentru o densitate de putere mai mare.

Pentru a rezolva multe dintre aceste probleme, proiectanții pot înlocui comutatoarele de alimentare din siliciu (Si) cu dispozitive bazate pe tehnologii cu bandă largă (WBG), cum ar fi nitrura de galiu (GaN). Acest lucru se traduce în mod direct printr-o eficiență îmbunătățită a sursei de alimentare și o nevoie redusă a disipării termice, permițând o densitate de putere mai mare. Cu toate acestea, în comparație cu Si, comutatoarele GaN sunt mai greu de acționat.

Proiectanții pot depăși problemele asociate cu vitezele de comutare rapide, cum ar fi inductanța și capacitatea de dispersie electrică și oscilațiile de înaltă frecvență, dar acest lucru necesită timp și costuri suplimentare de dezvoltare. În schimb, proiectanții pot apela la circuite integrate de comutare cu retur reductor offline cu dispozitive interne de alimentare GaN.

Acest articol discută pe scurt avantajele GaN și provocările de proiectare ale acestuia. În continuare, sunt prezentate trei platforme integrate de circuite integrate de comutare cu retur reductor offline cu comutatoare de alimentare GaN interne de la Power Integrations și se arată cum pot fi utilizate pentru a produce proiecte de convertoare de putere de înaltă eficiență. Se discută despre opțiunile suplimentare ale circuitelor integrate de gestionare a curentului de anclanșare și de miniaturizare a condensatoarelor de decuplare MinE-CAP, precum și despre un mediu de proiectare online util.

Ce este GaN și de ce este atât de avantajos?

GaN este un material semiconductor WBG care, în comparație cu Si, are o rezistență scăzută la „activare”, o rezistență ridicată la tensiunea de străpungere, viteze de comutare rapide și o conductivitate termică ridicată. Utilizarea GaN în locul Si permite fabricarea de comutatoare care au pierderi la comutare mult mai mici în timpul pornirii și opririi. În plus, dispozitivele GaN cu rezistență echivalentă la activare sunt mult mai mici decât cele Si. Ca urmare, pentru o dimensiune dată a matriței, un comutator de alimentare GaN are pierderi de conducție și pierderi la comutare combinate mai mici (Figura 1).

Figura 1: Pentru o dimensiune dată a matriței, dispozitivele GaN au o rezistență la activare mai mică, ceea ce duce la pierderi totale mai mici, în comparație cu MOSFET-urile Si. (Sursă imagine: Power Integrations)

În timp ce GaN are avantaje clare, poate reprezenta o provocare pentru proiectare. De exemplu, din cauza vitezelor de comutare extrem de rapide ale dispozitivelor GaN, configurațiile circuitelor de comandă pot fi foarte sensibile la inductanța și capacitatea de dispersie electrică de pe placa de circuite imprimate și de pe pachetele GaN discrete. Oscilațiile rapide ale tensiunii (dv/dt) și oscilațiile de înaltă frecvență care pot apărea la comanda dispozitivelor GaN creează mai multe interferențe electromagnetice (EMI) care trebuie filtrate pentru a preveni o reducere a eficienței convertorului. De asemenea, comutarea rapidă a dispozitivelor GaN face dificilă protecția acestora împotriva condițiilor de defecțiune, deoarece acestea pot deteriora dispozitivele mai repede decât ar putea reacționa circuitele de protecție.

Simplitate fără sacrificarea performanței

Power Integrations a abordat aceste complexități cu circuitele sale integrate de comutare PowiGaN cvasi-rezonante InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP și InnoSwitch3-Pro (Figura 2). PowiGaN este tehnologia de comutare de alimentare GaN dezvoltată le nivel intern de Power Integrations, care înlocuiește tranzistorii tradiționali din siliciu de pe partea primară a circuitelor integrate de comutare cu retur reductor offline InnoSwitch3. În schimb, acesta integrează circuitele primare, secundare și de reacție într-un singur pachet InSOP-24D, cu dispozitiv de montare pe suprafață (SMD). Astfel, dispozitivele reduc complexitatea configurațiilor circuitelor de comandă și generarea de EMI, reducând, în același timp, pierderile la comutare și conducția, permițând adaptoare și încărcătoare mai eficiente, mai ușoare și mai mici, precum și surse de alimentare cu cadru deschis.

Utilizarea acestei abordări permite proiectanților de surse de alimentare să se concentreze pe livrarea de energie, performanța termică, factorii de formă și alte considerații legate de aplicații, fără a fi distrași de provocările tehnologiei GaN.

Figura 2: Circuitele integrate de comutare cu retur reductor offline InnoSwitch3 cu comutatoare GaN sunt livrate în pachetul InSOP-24D compact. (Sursă imagine: Power Integrations)

Cele trei familii InnoSwitch3 cu tehnologie PowiGaN sunt optimizate pentru clase specifice de aplicații:

• InnoSwitch3-CP este destinată aplicațiilor, cum ar fi încărcarea bateriilor, care pot beneficia de un profil de alimentare constantă.
• InnoSwitch3-EP este destinată surselor de alimentare c.a.-c.c. cu cadru deschis într-o gamă largă de aplicații industriale și de consum.
• Dispozitivele InnoSwitch3-Pro includ o interfață digitală I²C pentru controlul software al punctelor de setare a tensiunii constante (CV) și a curentului constant (CC), opțiuni pentru modul de siguranță și gestionarea excepțiilor.

Circuitele integrate InnoSwitch3 au un control cvasi-rezonant, o eficiență de până la 95% pe întreaga gamă de sarcină, suportă ieșiri precise CV, CC și de putere constantă (CP) pentru a satisface o varietate de cerințe ale aplicațiilor și includ tehnologia de detectare a curentului fără pierderi. Aceasta din urmă elimină necesitatea rezistențelor externe de detectare a curentului, care reduc eficiența și care pot chiar depăși rezistența multor comutatoare GaN în modelele discrete.

Alte caracteristici-cheie ale întrerupătoarelor includ detectarea în circuitele secundare, un driver dedicat pentru un MOSFET de redresare sincronă, conexiune de feedback cu cuplaj inductiv FluxLink integrat între controlerele din circuitele primare și secundare cu o izolare de curent alternativ (V c.a.) de >4.000 de volți, conformitate cu cerințele globale de eficiență energetică, nivel de EMI redus, siguranță și conformitate cu reglementările (aprobare de siguranță UL1577 și TUV (EN60950 și EN62368)) și răspuns tranzitoriu instantaneu pentru trepte de sarcină de 100%.

Circuite integrate de comutare cu retur reductor CV/CC QR offline cu control digital

Proiectanții de încărcătoare de baterii cu diferite compoziții chimice și mai multe protocoale, balasturi LED CV și CC reglabile, surse de alimentare programabile (PPS) USB PD 3.0+ de înaltă eficiență, adaptoare QC și alte aplicații similare pot beneficia de utilizarea circuitelor integrate InnoSwitch3-Pro complet programabile, inclusiv INN3378C, INN3379C și INN3370C, care pot fi utilizate în adaptoare c.a.-c.c. de până la 90 de wați și surse de alimentare c.a.-c.c. cu cadru deschis de până la 100 de wați (Tabelul 1). De asemenea, aceste dispozitive sunt utile atunci când este nevoie de un control fin al curentului de ieșire și de reglarea tensiunii (sunt acceptate trepte de 10 milivolți (mV) și 50 miliamperi (mA)).

Tabelul 1: Circuitele integrate InnoSwitch3-Pro sunt proiectate pentru funcționarea cu o intrare de 230 V c.a. ±15% și o intrare de 85 până la 265 V c.a. (Sursă tabel: Power Integrations)

Interfața I²C din dispozitivele InnoSwitch3-Pro simplifică dezvoltarea și producția de surse de alimentare complet programabile (Figura 4). Aceasta permite controlul dinamic al curentului și al tensiunii de ieșire. Aceasta poate fi utilizată pentru a configura sursa de alimentare, punctele de referință CV, CC și CP, setările de protecție, cum ar fi pragurile de supratensiune și subtensiune, și pentru a gestiona raportarea defecțiunilor. Alimentarea integrată de 3,6 volți poate fi utilizată pentru a alimenta un microcontroler extern (MCU). În plus, consumul de putere fără sarcină de <30 miliwatt (mW) (inclusiv linia de detecție și MCU) îndeplinește toate cerințele globale de eficiență energetică.

Figura 3: Circuitele integrate InnoSwitch3-Pro includ o interfață I²C pentru control și monitorizare digitale complete și o sursă integrată de 3,6 volți (uVCC) pentru alimentarea unui MCU extern. (Sursă imagine: Power Integrations)

Soluții configurabile din punct de vedere hardware

Pentru aplicațiile care nu necesită monitorizare sau programabilitate digitală, Power Integrations oferă familiile InnoSwitch3-CP (Figura 5) și -EP de soluții configurabile din punct de vedere hardware. La fel ca InnoSwitch3-Pro, dispozitivele InnoSwitch3-CP și InnoSwitch-EP includ controlere primare și secundare și o izolare consolidată cu o putere nominală de >4000 V c.a. într-un singur circuit integrat. Caracteristicile de protecție includ limitarea supratensiunii de ieșire și a supracurentului, protecția la supratensiune și subtensiune a liniei de c.a. și oprirea la supratemperatură. Dispozitivele dispun de o imunitate ridicată la zgomot, permițând proiecte care îndeplinesc nivelurile de performanță EN61000-4 clasa „A”.

Figura 4: Se prezintă InnoSwitch3-CP într-o aplicație tipică, cu conexiunea de feedback cu cuplaj inductiv FluxLink (linie punctată) între controlerele din circuitele primare și secundare. (Sursă imagine: Power Integrations)

Proiectanții de convertoare cu retur reductor de înaltă eficiență de până la 100 de wați, pentru aplicații cum ar fi USB PD, adaptoare QC și aplicații similare, pot beneficia de utilizarea dispozitivelor InnoSwitch3-CP, cum ar fi INN3278C, INN3279C și INN3270C (Tabelul 2). Aceste circuite integrate de comutare QR dispun de moduri CV și CC cu profiluri de alimentare constantă și acceptă combinații standard de blocare și repornire automată. Compensarea căderilor de tensiune de pe cablu este o caracteristică opțională.

Tabelul 2: Puterea nominală a familiei InnoSwitch3-CP pentru modelele cu adaptor și cadru deschis. (Sursă tabel: Power Integrations)

Pentru aplicații cum ar fi contoarele de utilități, sursele de alimentare industriale și pentru rețele inteligente, alimentarea în standby și de polarizare pentru electrocasnice, produse de consum și computere care nu utilizează o funcționare la alimentare constantă, proiectanții pot selecta din dispozitivele InnoSwitch3-EP, cum ar fi INN3678C, INN3679C și INN3670C (Tabelul 3).

Tabelul 3: Circuitele integrate InnoSwitch3-EP au o putere nominală maximă de 230 V c.a. ±15% și o putere redusă cu o gamă largă de intrare de la 85 la 265 V c.a. (Sursă tabel: Power Integrations)

Dispozitivele InnoSwitch3-EP acceptă o bună reglare încrucișată pentru mai multe ieșiri. Sensibilitatea curentului de ieșire este reglabilă cu ajutorul unei rezistențe externe, în timp ce performanța CV/CC este foarte precisă și independentă de orice componente externe. Aceste circuite integrate de comutare cu retur reductor QR sunt disponibile cu protecție la subtensiune la ieșire cu repornire automată opțională și pot fi comandate cu opțiuni de livrare de alimentare standard sau maximă.

Gestionarea curentului de anclanșare și miniaturizarea condensatoarelor de decuplare

Pentru a reduce și mai mult numărul de componente și pentru a îmbunătăți performanța surselor de alimentare c.a.-c.c., proiectanții care utilizează un circuit integrat PowiGaN InnoSwitch3 pot utiliza, de asemenea, opțiunile suplimentare ale circuitelor integrate de gestionare a curentului de anclanșare și de miniaturizare a condensatoarelor de decuplare MinE-CAP pentru proiectele cu densitate de putere foarte mare (Figura 8). MinE-CAP poate reduce cu până la 50% volumul condensatoarelor de decuplare la intrare și elimină necesitatea unui termistor cu coeficient de temperatură negativ (NTC) de limitare a curentului de anclanșare. De asemenea, prin utilizarea MinE-CAP sunt reduse solicitările asupra punții redresoare de intrare și asupra siguranței, ceea ce duce la o mai bună fiabilitate a sursei de alimentare.

Figura 5: Circuitul integrat de gestionare a curentului de anclanșare și miniaturizare a condensatoarelor de decuplare MinE-CAP este o completare naturală a circuitelor integrate de comutare cu retur reductor offline InnoSwitch3 în sursele de alimentare c.a.-c.c. de înaltă densitate. (Sursă imagine: Power Integrations)

La fel ca circuitele integrate InnoSwitch3, MinE-CAP profită de dimensiunile mici și de rezistența redusă a dispozitivelor PowiGaN pentru a oferi o performanță sporită a sistemului. MinE-CAP conectează și deconectează automat segmente ale rețelei de condensatoare de decuplare în funcție de condițiile de tensiune ale liniei de c.a. Acest lucru permite proiectanților să utilizeze cel mai mic condensator de decuplare (_CHV în Figura 8) pentru funcționarea la o tensiune înaltă a liniei de c.a., plasând, în același timp, cea mai mare parte a stocării de energie în condensatoare de tensiune mai joasă (_CLV) pentru utilizare în condiții de linie cu tensiune joasă. Deoarece condensatoarele de tensiune mai joasă sunt semnificativ mai mici decât cele pentru tensiune înaltă, utilizarea MinE-CAP reduce dimensiunea totală a condensatoarelor de intrare de decuplare fără a reduce eficiența, fără a crește variația curentului de ieșire și fără a necesita reproiectarea transformatorului de putere.

Utilizarea MinE-CAP reduce dimensiunea surselor de alimentare la fel de eficient precum creșterea frecvenței de comutare pentru a micșora dimensiunea transformatorului. Soluțiile MinE-CAP utilizează mai puține componente și elimină provocările de proiectare de înaltă frecvență, cum ar fi disiparea crescută a transformatorului/clemei de fixare și un nivel de EMI mai mare.

Instrumente de proiectare online

De asemenea, Power Integrations oferă PI Expert pentru a accelera proiectarea surselor de alimentare c.a.-c.a. folosind linia InnoSwitch3 de circuite integrate de comutare cu retur reductor offline PowiGaN integrat. Construit în jurul unei interfețe grafice de utilizator (GUI) automate, PI Expert utilizează specificațiile de alimentare pentru a genera automat o soluție de conversie a energiei. Aceasta oferă proiectanților toate detaliile necesare pentru a construi și testa un prototip de convertor de putere. Folosind PI Expert, proiectanții pot realiza un design complet în câteva minute.

Proiectarea cu circuite integrate InnoSwitch3 pe bază de PowiGaN este aceeași ca și în cazul dispozitivelor InnoSwitch3 pe bază de Si. PI Expert funcționează la fel atunci când optimizează frecvența de comutare, filtrarea EMI, proiectarea transformatorului, polarizarea și rectificarea sincronă pentru dispozitivele PowiGaN și Si. Instrumentul implementează automat orice modificări necesare pentru a se adapta la puterea mai mare a proiectelor bazate pe PowiGaN. Instrumentul produce o schemă de circuit interactivă, o listă completă de materiale, parametri electrici detaliați și recomandări pentru dispunerea plăcii de circuite imprimate. De asemenea, rezultatele includ un proiect magnetic complet cu dimensiunea nucleului, grosimea firelor, numărul de fire paralele, numărul de spire din fiecare înfășurare și instrucțiunile de înfășurare pentru asamblarea mecanică.

Concluzie

Proiectanții trebuie să crească densitatea de putere, să scadă costurile și să reducă timpul de dezvoltare a surselor de alimentare offline de 100 de wați pentru aplicații care variază de la încărcătoare și adaptoare c.a.-c.c. la sisteme industriale. Utilizarea tehnologiei GaN WGB poate fi de ajutor, dar proiectarea cu GaN necesită o atenție deosebită la dispunerea plăcii și la alte aspecte asociate cu comutarea de mare viteză.

Așa cum s-a arătat, o abordare mai integrată bazată pe circuitele integrate de comutare cu retur reductor InnoSwitch3 QR permite proiectanților să dezvolte convertoare de putere elegante, de înaltă eficiență, care oferă beneficiile de performanță ale comutatoarelor GaN, reducând, în același timp, riscurile asociate de obicei cu adoptarea unei noi tehnologii.

Utilizând InnoSwitch3, combinat cu MinE-CAP de la Power Integrations, circuitul integrat de gestionare a curentului de anclanșare și miniaturizare a condensatorului de decuplare, precum și cu instrumentele de proiectare online PI Expert ale companiei, proiectanții pot implementa mai rapid surse de alimentare compacte, robuste și rentabile, cu un număr redus de componente care îndeplinesc standardele globale de eficiență.

Lectură recomandată

1. Construirea unui comutator c.a./c.c. este ușoară cu PI Expert