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把MOSFET替换成GaN器件,65W电源适配器就能秒变100W水平?

时间:2019-09-30 作者:赵明灿 阅读:
近年来,在电源领域,USB PD/USB C和氮化镓(GaN)成为了两个关键词。那么,这两者是否有结合的可能呢?实际上,如果你留意市场上的USB PD适配器产品,就会发现已经有包括Anker和Ravpower在内的许多非原装产品采用了基于GaN的设计!

近年来,在电源领域,USB PD/USB C和氮化镓(GaN)成为了两个关键词。USB PD能够提供大功率输出,在消费类设备(包括家电设备)中有一统天下之势。GaN开关管则由于出众的耐高温和高频、低损耗特性,成为高性能标杆电源产品设计的理想之选。那么,这两者是否有结合的可能呢?

实际上,如果你留意市场上的USB PD适配器产品,就会发现已经有包括Anker和Ravpower在内的许多非原装产品采用了基于GaN开关管的设计,而Power Integrations(PI)公司新发布的基于PowiGaN(即PI的GaN)的InnoSwitch3,就是其中之一。

日前,在PI的媒体见面会上,Power Integrations资深技术经理阎金光(Jason Yan)告诉记者,该公司已将PowiGaN开关技术(PI的GaN技术)扩展到了InnoSwitch3 IC(基于MOSFET的InnoSwitch 3的详细介绍,请见《反激式电源效率提升到94%,意味着哪些设计优势?》)当中,从而扩展了其使用范围。

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阎金光介绍说,InnoSwitch3包括三个系列:InnoSwitch3-CP是恒功率应用;InnoSwitch3-EP适合敞开式应用(即嵌入式电源,适合微波炉等家电内部空气流通比较好,周围环境温度不太高的应用);InnoSwitch3-Pro即可编程,带有I2C接口和MCU。

InnoSwitch3以前采用的是硅MOSFET开关管,对于65W以下应用没有问题。但若想提高功率输出,则需要用GaN开关管来代替。GaN等宽禁带器件适合高温应用,可以提高开关频率,使开关损耗(即开关期间电压和电流交叠部分)变小。其单位面积的RDS(ON)更小,因此也可使导通损耗(I2R)变小。这样InnoSwitch3的功率输出就可以拓展到最大100W的水平(敞开式)。

采用PowiGaN的InnoSwitch3适合对尺寸和效率有较高要求的应用,如下。

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他补充说,为什么是非原装的USB PD适配器呢?GaN这项技术其实早在十几年前就已开始陆续研发,但一直无法进行可靠的大批量生产。业界都想尝试走到技术前端,但它会有一定风险性。因此现在市场上看到的还是非原装的USB PD适配器。但是随着这个市场起来,华为、小米等一线OEM原厂将会跟进。

“现在在市场上唯一能稳定大批量供货的厂商就是Power Integrations。目前没有一颗芯片因为技术问题而被返回原厂做质量分析。”他强调。

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对于分立式GaN晶体管来说,它需要连接控制器,这在布局上就非常具有随意性。变压器周边元器件的误差可能对GaN开关带来危险,造成它损坏。因此PI将它集成到了IC中。

下图是反激电源的简单拓扑,反激电源一般用来提供150W以下输出功率,这在消费电子和车规电子领域用得非常普遍。InnoSwitch3中集成了一个初级侧功率开关,以及初级侧控制器和次级侧控制器,初级侧和次级侧之间通过FluxLink磁感应的方式耦合。

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采用PowiGaN的InnoSwitch3只是把开关管替换成了GaN器件。频率不变,仍为100kHz。那么,既然GaN能够耐高温又能高频操作,为什么不工作在200或300kHz呢?阎金光解释说,如果增加工作频率,则开关损耗反而会增大。这样就会丧失GaN所带来的一些优势。你可能认为,开关频率增大可以使变压器做小,从而使电源的整个设计缩小。但真是如此吗?事实上,如果把开关频率做高,EMI就会增大,这样就要增加滤波元件,因此电源不见得能够做小。PI认为这里有个最佳平衡点,可以平衡电源体积和成本以及效率,因此并不主张工作在300k甚至400k。“GaN开关本身是没有问题的。但是随着频率增加,电源的整个指标会变差,需要花额外的成本把它修正过来,这样电源反而不能做到更小。”他补充说。

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从下面的效率图可以看到,随着GaN开关管的使用,新的InnoSwitch3器件可以实现更低的单位面积RDS(ON)以及更高的输出功率和效率。

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下面是GaN与MOSFET的开关损耗与导通损耗以及总损耗的对比。从图中可以看出,随着器件尺寸增大,GaN的开关损耗增加比MOSFET小很多,这是它能够工作在高频下的原因。

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另外,PI的PowiGaN参考设计现已发布,目前主要是针对非常火的USB PD——现在越来越多的设备开始采用USB C口设计。从图中可以看出,该参考设计采用PCB敷铜的方式实现散热。

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下面是业界第一个双USB C口方案(90W,每个口45W)。以前的双口输出方案是一个电源通过两个连接器实现输出。这种新方案实际是一个设备中封装了两个电源,它可以给一个或两个设备供电(比如充电电压不一的情况),里面用到了微处理器检测。

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将PowiGaN同时扩展到LYTSwitch-6中

另外,PI也将PowiGaN技术扩展到了其LYTSwitch-6照明系列之中。LYTSwitch-6实际是InnoSwitch3在照明应用中的拓展。使用PowiGaN的LYTSwitch-6输出功率可以做到最高110W的水平——在照明应用中一般都会有前级功率因数校正(PFC),在有PFC的情况下,输出功率可以做到更大(InnoSwitch3是100W最大)。750V耐压对于照明应用优势更大——照明驱动器经常会因雷电原因而被损坏掉。

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LYTSwitch-6的优势

传统LED驱动器方案(反激电源)初级侧有一个控制器和一个MOSFET,同时执行电流检测。次级侧则是利用光耦进行反馈。次级整流采用同步整流,它采用单独的控制芯片。为了实现电压电流控制,需要执行相应检测,然后通过光耦把信息反馈到初级侧。

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LYTSwitch-6则是实现了高度集成,它集成了PowiGaN/MOSFET开关、初级侧控制器、FluxLink、同步整流驱动、输出电压电流检测。

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GaN开关管提高了LYTSwitch-6的性能,具体表现在更高的效率和输出功率。

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由于是两级整流(PFC+反激变换),效率为两级的乘积,最高能够做到90.5%。

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100W LED驱动器PowiGaN参考设计如下:

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另外,PI Expert软件现已支持PowiGaN器件的设计。

 

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CAPZero-3降低待机功耗,使家电满足全球节能标准

此外,PI还同时发布了CAPZero-3产品,它适用于家用电器中的EMI滤波器部分。阎金光介绍说,电源功耗有很多种,例如电源的待机功耗,有一部分来自于X电容的放电电阻。X电容在功率比较大的设计中基本都会用到,它跨接在零线与火线之间,用来短路EMI。如果没有X电容,电源产生的EMI就会通过导线传导到电网中去。这样就会对电网上其他用电设备产生影响。

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X电容有容量限制,当它在0.1μF以下时,不会产生安全问题。但若它容量较大,当用户把电源从墙上拔下时,如果没有放电电阻,用户就有可能触电。

放电电阻和X电容并联连接,也是跨接在火线和零线之间,也就是说始终有功耗,也就会产生待机功耗。CAPZero-3就是用于消除放电电阻在电源工作期间所产生的功耗。

CAPZero-3的工作过程如下所示。CAPZero-3可以实现智能检测,当检测到交流供电上电时,使放电路径开路;当检测到交流供电断开时,则迅速将放电电阻短接进来。因此,CAPZero-3其实也有功耗,但是只有4mW。

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CAPZero-3可以使家电应用满足IEC6035标准要求。如果没有CAPZero-3,而是将电阻持续接入,阻值太大的话会增大待机功耗,太小的话又不能实现电容快速泄放。

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此外,我们都知道LC滤波,如果想使用较小的(比如0.1μF)的X电容,要实现相同的滤波效果,就得使用较大的电感(比如1mH),这样就会增加电感成本。但如果采用2μF的电容,则采用500nH的电感就已足够,但是这就需要使用较大放电电阻。因此,采用CAPZero-3还可以降低电感成本。

家电设备有大有小,像洗衣机、冰箱这样的大功率设备当中可能有很多X电容并联连接(比如两级滤波),总电容值可能高达6μF。而不管其中用到几个X电容,由于它们都是通过导线连接,因此只需要采用一个CAPZero-3就可实现所有电容放电。

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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