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利用GaN技术在狭窄的环境中保持“冷静”

2022-07-11 16:44:00 Dhaval Dalal和Rajesh Ghosh 阅读:
虽然GaN器件可实现更高的功率密度,但为了实现高可靠性的适销对路的适配器设计,仍有一些系统级问题需要解决。这些问题以散热设计和EMI合规性为中心。适配器内的电子电路必须要在放置它们的狭小空间中保持冷(表现出低温升)静(低发射噪声)。本文将着眼于实现这些目标的技术。

自从USB-PD规范推出及其演变以来,用于为从手机到笔记本电脑等日常电子设备供电的电源适配器的格局发生了很大变化。虽然USB-PD确保了广泛的兼容性,但电源适配器的设计变得更具挑战性——现在,电源适配器必须要能支持广泛的输出电压(相对于专用适配器的单一输出电压)。与此同时,最终用户对更轻、更小的适配器的需求仍在继续。近年来业界推出了氮化镓(GaN)功率开关来满足上述双重要求。3soednc

与硅器件相比,GaN器件可以实现更低的传导损耗和开关损耗,借此就能以高效率实现更高开关频率的操作,因此适配器可以做得更轻、更小。基于GaN器件的设计需要特别注意,因为其栅极电压范围有限,并且该栅极易受杂散导通和杂散关断的影响。然而,具有单片集成驱动器的GaN FET(例如Tagore Technology公司的TP44x00NM系列),除了能节省空间外,还能使设计实现更加鲁棒和容易。3soednc

虽然GaN器件可实现更高的功率密度,但为了实现高可靠性的适销对路的适配器设计,仍有一些系统级问题需要解决。正如每个电力电子工程师所知道的那样,这些问题是以散热设计和EMI合规性为中心。作为人类,当我们处于紧张状态时,我们会努力保持冷静和镇定。对于我们设计的电路来说,情况也没有什么不同:适配器内的电子电路必须要在放置它们的狭小空间中保持冷(表现出低温升)静(低发射噪声)。本文将着眼于实现这些目标的技术。3soednc

散热和EMI挑战

散热和EMI设计挑战对电源设计人员来说并不陌生。然而,随着GaN技术能够实现更紧凑的空间,这些挑战变得更加严重。3soednc

就我们所特别关注GaN器件而言,其裸片尺寸要远小于等效功率损耗性能的硅器件。此外,GaN器件封装更小,需要采取特殊措施来限制裸片温度。即使GaN器件具有较低的损耗,更高的散热管理挑战仍然存在。从EMI的角度来看,GaN器件的寄生电容较低,因此其倾向于以更快的上升沿和下降沿进行开关,这就会导致谐波和EMI的产生。3soednc

此外,在更密集的适配器中更紧密地排列元器件,与实现低温升和EMI是对立的。耗散更严重的元器件和其他元器件之间的邻近加热,可能导致对其他元器件提出更高温度额定值的要求。此外,适配器的全封闭式封装也使散热方案受限。从EMI的角度来看,开关器件的临近放置以及较小的初次级间距,也会导致交叉耦合等等问题。3soednc

尽管存在上述挑战,但仍有一些可供设计人员使用的技术可提高散热性能和EMI性能。3soednc

散热解决方案

有效散热管理背后的基本原则是以最有效的方式分配热量。这可以通过多种方式实现,包括:策略性的元器件布局;通过添加铜平面并将其连接到散热器来增加通过PCB的热量传播;在外壳的内表面添加铜镀层;使用导热间隙填充材料桥接PCB顶部和底部。3soednc

我们将以使用准谐振反激(QRF)拓扑的65W适配器设计为例来说明实现其中一些概念的方法。首先,应该认识到输入滤波电解电容(EL电容)的体积很大(约为适配器体积的15%),散热很少。因此,将GaN器件直接放置在电路板另一侧的EL电容下方会有所帮助。使用通孔和热胶将热量传递到电路板的EL电容侧也有很大帮助。类似的策略还可应用于EMI滤波电感等耗散元器件。3soednc

另一个有用的步骤是将输入桥式整流器(会消耗4.5%的输出功率)移至子板。整流器的自热不会损害适配器的性能。然而,从整流器到GaN器件的热扩散会影响功率处理能力。最后,在组装之前,可以策略性地使用铜板将高耗散区域与低耗散区域连接起来,从而尝试平衡适配器内的温度。图1说明了其中一些概念。3soednc

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图1:散热和EMI设计、布局和封装解决方案。3soednc

EMI解决方案

EMI解决方案包括传统方法,例如选择正确的频率、正确的布局、选择合适的EMI滤波器以及控制开关转换。QRF拓扑可以实现更软的开启开关转换,这有助于降低EMI。TP44x00NM系列还可以实现栅极开启速度控制,从而为限制EMI提供了额外的手段。3soednc

这种微型适配器中的初次级电容要大得多,因为其初级侧和次级侧之间的间距从通常的8mm减小到了更低的水平。这降低了共模阻抗,因此导致了初级和次级之间更高水平的耦合——用于散布热量的铜箔会使这种现象变得更糟。最终的传导EMI合规性需要一些特殊措施(图1中突出显示了一些)。首先,共模(CM)扼流圈需要在X电容的任一侧分成两个电感(一个用于1MHz频率,另一个用于1~30MHz频率)并放置在交流侧。差模(DM)滤波器是一种π型滤波器,是通过将直流侧滤波器电容一分为二并在中间放置一个DM扼流圈形成的。最后,也是最关键的是,受安规强制要求的Y电容要放置在两个位置:一个(680pF)放置在X电容和次级地之间,另一个(也是680pF)放置在次级开关节点和初级地之间。1.36nF的总值要远低于2.2nF Y电容的限值,这也就提供了一些设计裕量。3soednc

最终结果:散热和EMI改进

上述散热和EMI改进措施是在适配器中所实施的,然后我们将其与同样使用GaN技术的类似市售适配器进行了比较。温升和EMI结果分别如图2图3所示。使用TP44200NM的适配器的散热性能随着改进的实施而较早稳定,最终温度至少比其他适配器低10℃。EMI性能也优于市场采购的适配器(图中未显示),并在整个频谱范围内提供了>10dB的裕量。3soednc

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图2:散热性能比较。3soednc

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图3:Tagore公司适配器的EMI性能(>10dB裕量)。3soednc

总结

使用本文所介绍的技术,可以使基于GaN的适配器的实现更加鲁棒。通过更加关注元器件选择、电路板布局和封装技术,还可进一步增强GaN和GaN IC的潜在性能优势。当电气、散热和EMI性能获得协调一致时,所得到的可能不仅是更冷(低温升)、更静(低EMI)的适配器,而且为设计团队提供了更“冷静”的专业体验。3soednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Keeping Cool and Calm in Tight Environments — The GaN Way,由Franklin Zhao编译。)3soednc

本文为《电子技术设计》2022年7月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里3soednc

责编:Franklin
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