使用GaN讓大功率使用環(huán)境中的設(shè)備保持合適的溫度

自從引入 USB-PD 規(guī)范及其演進(jìn)以來，用于為從手機(jī)到筆記本電腦等日常電子設(shè)備供電的電源適配器的格局發(fā)生了巨大變化。雖然USB-PD確保了廣泛的兼容性，但電源適配器設(shè)計(jì)變得更具挑戰(zhàn)性：現(xiàn)在，電源適配器必須支持廣泛的輸出電壓(與專用適配器的單一輸出電壓相反)。同時(shí)，最終用戶對(duì)更輕、更小適配器的需求仍在繼續(xù)。近年來引入了氮化鎵功率開關(guān)來滿足這些雙重要求。

與硅器件相比，GaN 器件具有更低的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，能夠以更高的效率實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率操作，因此適配器更輕、更小。基于 GaN 器件的設(shè)計(jì)需要特別注意，因?yàn)闁艠O電壓范圍有限，并且柵極容易受到虛假開啟和關(guān)閉的影響。然而，帶有單片集成驅(qū)動(dòng)器的GaN FET，例如Tagore Technology的 TP44x00NM 系列，除了節(jié)省空間外，還使實(shí)施變得穩(wěn)健和容易。

雖然氮化鎵設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度，但仍有一些系統(tǒng)級(jí)的問題需要解決，以實(shí)現(xiàn)高度可靠和有市場(chǎng)價(jià)值的適配器設(shè)計(jì)。每個(gè)電力電子工程師都知道，這些都圍繞著熱設(shè)計(jì)和電磁干擾合規(guī)。作為人類，當(dāng)我們處于緊張的情況下時(shí)，我們會(huì)努力保持冷靜和冷靜。我們?cè)O(shè)計(jì)的電路也沒有什么不同：適配器內(nèi)的電子設(shè)備必須在我們放置它們的更緊密的空間中保持涼爽(顯示低溫上升)和平靜(低發(fā)射噪音)。我們將在本文中介紹實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的技術(shù)。

熱和電磁干擾挑戰(zhàn)

熱設(shè)計(jì)和電磁干擾設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)對(duì)電源設(shè)計(jì)者來說并不新鮮。然而，隨著氮化鎵技術(shù)的空間，這些挑戰(zhàn)變得加劇。特別關(guān)注 GaN 器件，GaN 器件的管芯尺寸遠(yuǎn)小于同等功率損耗性能硅器件的管芯尺寸。

此外，GaN 器件封裝更小，需要采取特殊措施來限制芯片溫度。即使 GaN 器件具有較低的損耗，增強(qiáng)的熱管理挑戰(zhàn)仍然存在。從 EMI 的角度來看，GaN 器件具有較低的寄生電容，因此它們傾向于以更快的上升沿和下降沿進(jìn)行切換，這會(huì)導(dǎo)致諧波和 EMI 的產(chǎn)生。

此外，在密度更大的適配器中組件的緊密排列與實(shí)現(xiàn)低溫上升和電磁干擾是相反的。更耗散部件和其他部件之間的近端加熱會(huì)導(dǎo)致對(duì)其他部件的更高的溫度額定要求。此外，適配器的全封閉包裝提供了有限的散熱選擇。從EMI的角度來看，開關(guān)器件的接近性和較小的主-二次間距可能會(huì)導(dǎo)致交叉耦合和其他問題。盡管存在上述挑戰(zhàn)，但設(shè)計(jì)師仍有一些技術(shù)可以提高熱性能和電磁干擾性能。

散熱解決方案

有效熱管理背后的基本原則是以最有效的方式分配熱量。這可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)，包括組件的戰(zhàn)略布局放置;通過添加銅層連接到散熱元件來增加通過 PCB 的熱擴(kuò)散;外殼內(nèi)表面鍍銅;并使用導(dǎo)熱間隙填充材料橋接 PCB 頂部和底部。

我們將以使用準(zhǔn)諧振反激式 (QRF) 拓?fù)涞?65 W 適配器設(shè)計(jì)為例來說明實(shí)現(xiàn)其中一些概念的方法。首先，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到體積較大(約占適配器體積的15%)的輸入電解濾波電容(EL cap)散發(fā)的熱量很少。因此，有助于將 GaN 器件直接放置在電路板另一側(cè)的 EL 帽下方。使用過孔和導(dǎo)熱膠將熱量傳遞到電路板的 EL 帽側(cè)有很大幫助。類似的策略可以應(yīng)用于 EMI 濾波電感器和其他耗散元件。

另一個(gè)有用的步驟是將輸入橋式整流器(消耗 4.5% 的輸出功率)移至子板。整流器組件的自熱不會(huì)對(duì)適配器性能產(chǎn)生不利影響。然而，從整流器到 GaN 器件的熱擴(kuò)散會(huì)影響功率處理能力。最后，在組裝之前，可以策略性地使用銅板將高耗散區(qū)域與低耗散區(qū)域連接起來，并嘗試均衡適配器內(nèi)的溫度。

電磁干擾解決方案

EMI 解決方案包括傳統(tǒng)方法，例如選擇正確的頻率、適當(dāng)?shù)牟季?、選擇合適的 EMI 濾波器以及控制開關(guān)轉(zhuǎn)換。QRF 拓?fù)湓试S更柔和的開啟開關(guān)轉(zhuǎn)換，這有助于降低 EMI。TP44x00NM 系列還允許控制柵極開啟速度，從而提供額外的杠桿來限制 EMI。

這些微型適配器中的初級(jí)-次級(jí)電容要高得多，因?yàn)槌跫?jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的間距從通常的 8 毫米減小到更低的水平。這降低了共模阻抗，并導(dǎo)致初級(jí)和次級(jí)之間更高水平的耦合——用于散熱的銅箔使這種現(xiàn)象變得更糟。最終的傳導(dǎo) EMI 合規(guī)性需要多項(xiàng)特殊措施。首先，共模 (CM) 扼流圈需要分成兩個(gè)電感器(一個(gè)用于 1 MHz 的頻率，另一個(gè)用于 1–30 MHz 的頻率)，位于 X 電容器的任一側(cè)并放置在交流側(cè)。差模 (DM) 濾波器是將 DC 側(cè)濾波器帽一分為二并在中間放置一個(gè) DM 扼流圈而形成的 pi 型濾波器。最后，也是最關(guān)鍵的，Y 電容，受安全要求的限制，放置在兩個(gè)位置。一個(gè) (680 pF) 放置在 X 電容器和次級(jí)接地之間，另一個(gè)(也是 680 pF)放置在次級(jí)開關(guān)節(jié)點(diǎn)和初級(jí)接地之間。1.36 nF 的總值遠(yuǎn)低于 2.2 nF Y 電容器的限制 — 提供了一些設(shè)計(jì)余量。

最終結(jié)果：熱和 EMI 改進(jìn)

上述熱和 EMI 改進(jìn)措施在一個(gè)適配器中實(shí)施，然后將其與同樣使用 GaN 技術(shù)的類似商用適配器進(jìn)行比較。使用 TP44200NM 的適配器的熱性能隨著實(shí)施的改進(jìn)更早穩(wěn)定下來，最終溫度比其他適配器至少低 10?C。EMI 性能也優(yōu)于市場(chǎng)采購的適配器，并在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)提供超過 10 dB 的限值余量。

結(jié)論

使用本文介紹的技術(shù)可以使基于 GaN 的適配器的實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)健。通過更加關(guān)注元件選擇、電路板布局和封裝技術(shù)，GaN 和 GaN IC 的潛在性能優(yōu)勢(shì)得到進(jìn)一步增強(qiáng)。當(dāng)電氣、熱和 EMI 性能協(xié)調(diào)一致時(shí)，結(jié)果可能不僅是更涼爽(低溫升)和更平靜(低 EMI)的適配器，而且為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來更涼爽和更平靜的專業(yè)體驗(yàn)。