PI產(chǎn)品營銷總監(jiān)Chris?Lee：利用氮化鎵芯片組實現(xiàn)高效率、超緊湊的反激式電源

時間：2021-10-29 14:04:10

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[導(dǎo)讀]注：原載于電源網(wǎng)訂閱號，2021年10月26日目前市面上出現(xiàn)了一個新的芯片組，它由具有耐用的750V氮化鎵(GaN)初級側(cè)開關(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，能夠為手機、平板電腦和筆記本電腦設(shè)計出額定功率高達(dá)110W的新型超緊湊充電器。此芯片組來自PowerIn...

注：原載于電源網(wǎng)訂閱號，2021年10月26日

目前市面上出現(xiàn)了一個新的芯片組，它由具有耐用的750V氮化鎵(GaN)初級側(cè)開關(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，能夠為手機、平板電腦和筆記本電腦設(shè)計出額定功率高達(dá)110W的新型超緊湊充電器。此芯片組來自Power Integrations，包含內(nèi)部集成PowiGaN?開關(guān)的InnoSwitch?4-CZ零電壓開關(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)計帶來了耳目一新的新性能。由于變壓器中存在初級漏感，初級側(cè)需要有源鉗位電路。當(dāng)初級側(cè)開關(guān)關(guān)斷時，漏感換向會導(dǎo)致電壓過沖，從而損壞MOSFET。一種常見的解決方案是使用無源電阻-電容-二極管(RCD)鉗位來保護MOSFET（見圖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鉗位會降低反激效率，但可為MOSFET提供保護。

PI產(chǎn)品營銷總監(jiān)Chris?Lee：利用氮化鎵芯片組實現(xiàn)高效率、超緊湊的反激式電源

圖1. 無源初級鉗位RCD解決方案需要耗散大量的熱量并且會限制反激式電源的效率

在每個開關(guān)周期中，鉗位中的能量都會損失。這迫使設(shè)計者限制最大開關(guān)頻率，而這又需要使用更大的變壓器。因此，無源鉗位解決方案會降低反激效率或?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)計中，RCD緩沖器中的電阻由開關(guān)代替。如果使用ClampZero，開關(guān)則是PowiGaN器件（見圖2）。初級開關(guān)關(guān)斷后，次級控制指示ClampZero開關(guān)開通，并在初級開關(guān)開通前將鉗位電容儲能傳輸至次級。再循環(huán)鉗位電路使得漏感電流得以換向，還可確保初級開關(guān)上的電壓在其開通前為零(ZVS)。

圖2. InnoSwitch4-CZ/ClampZero反激方案

在傳統(tǒng)的有源鉗位設(shè)計中，初級MOSFET和有源鉗位開關(guān)以互補方式進行工作（因此這些鉗位電路被稱為“互補模式有源鉗位”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（如USB PD和PPS充電器）時，這對設(shè)計者來說是一個挑戰(zhàn)，導(dǎo)致設(shè)計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芯片組克服了這個限制。

InnoSwith4-CZ和 ClampZero
InnoSwitch4-CZ和ClampZero IC芯片組采用復(fù)雜、非對稱的非互補有源鉗位控制方法，實現(xiàn)智能的零電壓開關(guān)，同時支持非連續(xù)和連續(xù)導(dǎo)通工作模式，可提高設(shè)計靈活性，并在所有工作條件下實現(xiàn)效率最大化。新型反激式開關(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等安全及保護功能的情況下，其空載功耗小于20mW。

InnoSwitch4-CZ產(chǎn)品系列采用薄型InSOP?-24D封裝，同時集成了750V開關(guān)、初級和次級控制器、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)滿載開關(guān)頻率降低了變壓器尺寸，進一步提高功率密度。

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，并具有完善的保護功能，包括用于輸出過壓和欠壓保護的自動重啟動或鎖存故障響應(yīng)方式、輸入欠壓保護以及鎖存或遲滯過溫保護。

設(shè)計范例
設(shè)計者可以將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)計出超緊湊型反激電源。MinE-CAP是對InnoSwitch4-CZ和ClampZero IC的自然補充；它可大幅縮小輸入大容量電容的尺寸，而不會影響輸出紋波、工作效率且無需重新設(shè)計變壓器。

與傳統(tǒng)技術(shù)（如極高開關(guān)頻率工作）相比，MinE-CAP可實現(xiàn)同等或更大的整體電源尺寸縮小，同時可避免與極高頻設(shè)計相關(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的浪涌電流，從而無需使用功耗較大的NTC或大型慢熔保險絲。

Power Integrations推出的DER-928設(shè)計范例是一款適用于手機和筆記本電腦的超緊湊型60W USB PD 3.0充電器。設(shè)計特色如下：

使用了具有高壓PowiGaN開關(guān)的InnoSwitch4-CZ有源鉗位反激式開關(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)
提供輸出過壓和過流保護
內(nèi)部集成熱關(guān)斷保護特性
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：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（見表1）。它們可用于適配器或敞開式設(shè)計，支持85-264VAC輸入電壓，也可通過添加功率因數(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)計者能夠為手機、平板電腦和筆記本電腦設(shè)計高達(dá)110W的超高密度充電器，這些設(shè)計在以前是無法實現(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。它們在提供輸入電壓檢測等安全及保護功能的情況下，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。
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