利用氮化鎵芯片組實(shí)現(xiàn)高效率、超緊湊的反激式電源
掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章
目前市面上出現(xiàn)了一個(gè)新的芯片組,它由具有耐用的750V氮化鎵(GaN)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)的反激式IC方案與創(chuàng)新的高頻有源鉗位方案組合而成,能夠?yàn)槭謾C(jī)、平板電腦和筆記本電腦設(shè)計(jì)出額定功率高達(dá)110W的新型超緊湊充電器。此芯片組來(lái)自Power Integrations,包含內(nèi)部集成PowiGaN?開(kāi)關(guān)的InnoSwitch?4-CZ零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)反激式控制器和提供有源鉗位解決方案的ClampZero?產(chǎn)品系列。這些新IC可用于設(shè)計(jì)效率高達(dá)95%且在不同輸入電壓條件下保持恒定的反激式電源。
這種InnoSwitch4-CZ/ClampZero組合為反激式電源設(shè)計(jì)帶來(lái)了耳目一新的新性能。由于變壓器中存在初級(jí)漏感,初級(jí)側(cè)需要有源鉗位電路。當(dāng)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí),漏感換向會(huì)導(dǎo)致電壓過(guò)沖,從而損壞MOSFET。一種常見(jiàn)的解決方案是使用無(wú)源電阻-電容-二極管(RCD)鉗位來(lái)保護(hù)MOSFET(見(jiàn)圖1)。鉗位將漏感能量轉(zhuǎn)移到鉗位電容中,并在電阻中以熱量的形式耗散。RCD鉗位會(huì)降低反激效率,但可為MOSFET提供保護(hù)。
圖1. 無(wú)源初級(jí)鉗位RCD解決方案需要耗散大量的熱量并且會(huì)限制反激式電源的效率
在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中,鉗位中的能量都會(huì)損失。這迫使設(shè)計(jì)者限制最大開(kāi)關(guān)頻率,而這又需要使用更大的變壓器。因此,無(wú)源鉗位解決方案會(huì)降低反激效率或?qū)е码娫大w積更大和/或溫度更高。更有效的方法是用有源鉗位代替無(wú)源RCD網(wǎng)絡(luò)。
有源鉗位
有源鉗位不消耗能量,而是再循環(huán)漏感能量,從而提高效率并減少熱量產(chǎn)生。在有源鉗位設(shè)計(jì)中,RCD緩沖器中的電阻由開(kāi)關(guān)代替。如果使用ClampZero,開(kāi)關(guān)則是PowiGaN器件(見(jiàn)圖2)。初級(jí)開(kāi)關(guān)關(guān)斷后,次級(jí)控制指示ClampZero開(kāi)關(guān)開(kāi)通,并在初級(jí)開(kāi)關(guān)開(kāi)通前將鉗位電容儲(chǔ)能傳輸至次級(jí)。再循環(huán)鉗位電路使得漏感電流得以換向,還可確保初級(jí)開(kāi)關(guān)上的電壓在其開(kāi)通前為零(ZVS)。
圖2.InnoSwitch4-CZ/ClampZero反激方案
在傳統(tǒng)的有源鉗位設(shè)計(jì)中,初級(jí)MOSFET和有源鉗位開(kāi)關(guān)以互補(bǔ)方式進(jìn)行工作(因此這些鉗位電路被稱為“互補(bǔ)模式有源鉗位”電路)。在這種工作模式下,變換器只能工作于非連續(xù)導(dǎo)通模式或臨界導(dǎo)通模式,不能工作于連續(xù)導(dǎo)通模式。當(dāng)需要寬輸出電壓范圍的設(shè)計(jì)(如USB PD和PPS充電器)時(shí),這對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn),導(dǎo)致設(shè)計(jì)出電源在高輸入電壓下的導(dǎo)通必須非常不連續(xù)。然而,InnoSwitch4-CZ/ClampZero芯片組克服了這個(gè)限制。
InnoSwith4-CZ和ClampZero
InnoSwitch4-CZ和ClampZero IC芯片組采用復(fù)雜、非對(duì)稱的非互補(bǔ)有源鉗位控制方法,實(shí)現(xiàn)智能的零電壓開(kāi)關(guān),同時(shí)支持非連續(xù)和連續(xù)導(dǎo)通工作模式,可提高設(shè)計(jì)靈活性,并在所有工作條件下實(shí)現(xiàn)效率最大化。新型反激式開(kāi)關(guān)IC具有優(yōu)異恒壓/恒流精度,不受外圍元件參數(shù)公差的影響,并且在提供輸入電壓檢測(cè)等安全及保護(hù)功能的情況下,其空載功耗小于20mW。
InnoSwitch4-CZ產(chǎn)品系列采用薄型InSOP?-24D封裝,同時(shí)集成了750V開(kāi)關(guān)、初級(jí)和次級(jí)控制器、ClampZero接口、同步整流以及符合安全標(biāo)準(zhǔn)的反饋電路。高達(dá)140kHz的穩(wěn)態(tài)滿載開(kāi)關(guān)頻率降低了變壓器尺寸,進(jìn)一步提高功率密度。
InnoSwitch4-CZ/ClampZero芯片組適合于高效、緊湊的USB PD適配器、高密度反激式AC/DC電源和高達(dá)110W的高效恒壓/恒流電源。InnoSwitch4-CZ IC支持可變輸出電壓和電流特性,并具有完善的保護(hù)功能,包括用于輸出過(guò)壓和欠壓保護(hù)的自動(dòng)重啟動(dòng)或鎖存故障響應(yīng)方式、輸入欠壓保護(hù)以及鎖存或遲滯過(guò)溫保護(hù)。
設(shè)計(jì)范例
設(shè)計(jì)者可以將InnoSwitch4-CZ和ClampZero IC與Power Integrations之前推出的MinE-CAP? IC產(chǎn)品搭配使用,以設(shè)計(jì)出超緊湊型反激電源。MinE-CAP是對(duì)InnoSwitch4-CZ和ClampZero IC的自然補(bǔ)充;它可大幅縮小輸入大容量電容的尺寸,而不會(huì)影響輸出紋波、工作效率且無(wú)需重新設(shè)計(jì)變壓器。
與傳統(tǒng)技術(shù)(如極高開(kāi)關(guān)頻率工作)相比,MinE-CAP可實(shí)現(xiàn)同等或更大的整體電源尺寸縮小,同時(shí)可避免與極高頻設(shè)計(jì)相關(guān)的復(fù)雜EMI濾波和變壓器/鉗位耗散增加的挑戰(zhàn)。MinE-CAP還能精確地管理交流上電時(shí)的浪涌電流,從而無(wú)需使用功耗較大的NTC或大型慢熔保險(xiǎn)絲。
Power Integrations推出的DER-928設(shè)計(jì)范例是一款適用于手機(jī)和筆記本電腦的超緊湊型60W USB PD 3.0充電器。設(shè)計(jì)特色如下:
?使用了具有高壓PowiGaN開(kāi)關(guān)的InnoSwitch4-CZ有源鉗位反激式開(kāi)關(guān)IC (INN4073C)
?使用了ClampZero有源鉗位IC (CZ1062M)
?使用了MinE-CAP大電容小型化IC (MIN1072M)
?輸入:90VAC - 265VAC
?USB-C PD輸出:5V/3A;9V/3A;15V/3A;20V/3A
圖3. DER-928設(shè)計(jì)范例:使用InnoSwitch4-CZ、ClampZero和MinE-CAP芯片組的60W超小型USB PD充電器,體積僅有24.4立方厘米(44平方毫米 x 高12.6毫米)
在上述設(shè)計(jì)中,用130μF輸入電容替換100μF大電容可將峰值功率提高到90W。其他性能特性包括:
?輕松符合DOE6和CoC v5 2016能效標(biāo)準(zhǔn)
?提供輸出過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)
?內(nèi)部集成熱關(guān)斷保護(hù)特性
?空載輸入功率<60mW,微控制器功耗為20mW
?具有高功率密度的緊湊設(shè)計(jì):30.3W/in3,不含外殼(即,60W/1.77in X 1.77in X 0.63in)
InnoSwitch4-CZ/ClampZero解決方案所包含的芯片組可提供65W至110W的輸出功率(見(jiàn)表1)。它們可用于適配器或敞開(kāi)式設(shè)計(jì),支持85-264VAC輸入電壓,也可通過(guò)添加功率因數(shù)校正(PFC)前端電路支持385VDC工作。
表1. InnoSwitch4-CZ和ClampZero產(chǎn)品系列
總結(jié)
Power Integrations的InnoSwitch4-CZ/ClampZero芯片組使設(shè)計(jì)者能夠?yàn)槭謾C(jī)、平板電腦和筆記本電腦設(shè)計(jì)高達(dá)110W的超高密度充電器,這些設(shè)計(jì)在以前是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。InnoSwitch4-CZ IC可提供可變輸出電壓及恒流特性,非常適合于高效緊湊型USB-PD適配器和高效恒壓/恒流電源。它們?cè)谔峁┹斎腚妷簷z測(cè)等安全及保護(hù)功能的情況下,空載功耗小于30mW,并且可提供高達(dá)95%的效率,即使在不同輸入電壓、系統(tǒng)負(fù)載和輸出電壓下也能保持非常恒定的高效率。