Integrierte GaN-Schalter für Offline-Stromversorgungen

Die Anwendungsbereiche für kompakte 100-W-Netzteile werden immer vielfältiger: von AC/DC-Ladegeräten und -Adaptern, USB-Power-Delivery-Ladegeräten und Schnellladeadaptern bis hin zu LED-Beleuchtungen, Haushaltsgroßgeräten, Motorantrieben, intelligenten Zählern und Industriesystemen. Für die Entwickler dieser Offline-Sperrwandler-Stromversorgungen besteht die Herausforderung darin, Robustheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig die Kosten zu senken, den Wirkungsgrad zu verbessern und den Formfaktor für eine höhere Leistungsdichte zu verringern.

Um viele dieser Probleme zu lösen, können Entwickler Silizium-Leistungsschalter durch Bauelemente ersetzen, die auf Technologien mit breiter Bandlücke (WBG, Wide Bandgap) wie Galliumnitrid (GaN) basieren. Dies führt direkt zu einer verbesserten Stromversorgungseffizienz und einem geringeren Bedarf an Kühlkörpern, was eine höhere Leistungsdichte ermöglicht. Im Vergleich zu Si sind GaN-Schalter jedoch schwieriger zu steuern.

Entwickler können die mit schnellen Schaltgeschwindigkeiten verbundenen Probleme wie Streuinduktivität und -kapazität sowie Hochfrequenzschwingungen überwinden, aber das erfordert zusätzliche Entwicklungszeit und -kosten. Stattdessen können Entwickler auf hochintegrierte Offline-Sperrwandler-Schalt-ICs mit internen GaN-Leistungsbauelementen zurückgreifen.

GaN ist ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke, das im Vergleich zu Si einen niedrigen Durchlasswiderstand, eine hohe Durchschlagsfestigkeit, schnelle Schaltgeschwindigkeiten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Verwendung von GaN anstelle von Si ermöglicht die Herstellung von Schaltern, die wesentlich geringere Schaltverluste beim Ein- und Ausschalten aufweisen. Darüber hinaus sind GaN-Bauelemente mit gleichem Durchlasswiderstand viel kleiner als ihre Si-Gegenstücke. Infolgedessen hat ein GaN-Leistungsschalter bei einer bestimmten Chipgröße geringere kombinierte Leitungs- und Schaltverluste (Bild 1).

Obwohl GaN eindeutige Vorteile hat, kann es eine Herausforderung sein, sie zu implementieren. Aufgrund der extrem schnellen Schaltgeschwindigkeiten von GaN-Bauelementen kann das Layout von Ansteuerungsschaltungen beispielsweise sehr empfindlich auf Streuinduktivitäten und -kapazitäten der Leiterplatte und diskreter GaN-Gehäuse reagieren. Die schnellen Spannungsschwankungen (dv/dt) und hochfrequenten Oszillationen, die bei der Ansteuerung von GaN-Bauelementen auftreten können, verursachen mehr elektromagnetische Interferenzen (EMI), die herausgefiltert werden müssen, um eine Verringerung des Wirkungsgrads des Wandlers zu verhindern. Auch das schnelle Schalten von GaN-Bauelementen macht es schwierig, sie vor Fehlern zu schützen, da diese die Bauelemente schneller beschädigen können, als die Schutzschaltungen reagieren können.

Power Integrations hat diese Komplexität mit seinen quasi-resonanten PowiGaN-Schalt-ICs InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP und InnoSwitch3-Pro gelöst (Bild 2). PowiGaN ist die von Power Integrations intern entwickelte GaN-Leistungsschaltertechnologie, die die herkömmlichen Siliziumtransistoren auf der Primärseite der Offline-Sperrwandler-Schalt-ICs InnoSwitch3 ersetzt. Stattdessen sind Primär-, Sekundär- und Rückkopplungsschaltungen in einem einzigen SMD-Gehäuse (InSOP-24D) integriert. Auf diese Weise reduzieren die Bausteine die Komplexität des Treiberlayouts, die EMI-Erzeugung und verringern gleichzeitig die Leitungs- und Schaltverluste, was effizientere, leichtere und kleinere Adapter und Ladegeräte sowie offene Netzteile ermöglicht.

Mit diesem Ansatz können sich die Entwickler von Stromversorgungen auf die Leistungsabgabe, die thermische Leistung, die Formfaktoren und andere Anwendungsüberlegungen konzentrieren, ohne von der anspruchsvollen GaN-Technologie abgelenkt zu werden.

Die drei InnoSwitch3-Familien mit PowiGaN-Technologie sind für bestimmte Klassen von Anwendungen optimiert:

• Der InnoSwitch3-CP eignet sich für Anwendungen wie das Laden von Batterien, die von einem konstanten Leistungsprofil profitieren können.
• InnoSwitch3-EP ist für offene AC/DC-Netzteile in einer Reihe von Verbraucher- und Industrieanwendungen geeignet.
• Die InnoSwitch3-Pro verfügen über eine digitale I²C-Schnittstelle für die Softwaresteuerung von Konstantspannungs- (CV) und Konstantstrom-Sollwerten (CC), Sicherheitsmodusoptionen und Ausnahmebehandlung.

Die InnoSwitch3-ICs verfügen über eine quasi-resonante Steuerung, einen Wirkungsgrad von bis zu 95 Prozent über den gesamten Lastbereich, unterstützen präzise CV-, CC- und Konstantleistungsausgänge (CP), um eine Vielzahl von Anwendungsanforderungen zu erfüllen, und umfassen eine verlustfreie Strommesstechnologie. Letzteres macht externe Strommesswiderstände überflüssig, die den Wirkungsgrad verringern und sogar den Widerstand vieler GaN-Schalter in diskreten Designs übersteigen können.

Zu den weiteren Hauptmerkmalen der Schalter gehören die sekundärseitige Abtastung, ein spezieller Treiber für einen synchronen Gleichrichter-MOSFET, eine integrierte induktionsgekoppelte FluxLink-Rückkopplungsverbindung zwischen den primär- und sekundärseitigen Reglern mit Wechselstrom-Isolierung mit > 4000 V, die Einhaltung globaler Energieeffizienz-Anforderungen, niedrige EMI, Sicherheit und Einhaltung gesetzlicher Vorschriften (UL1577 und TÜV (EN60950 und EN62368) sowie sofortiges Einschwingen für hundertprozentige Lastschritte.

Entwickler von Multi-Chemie- und Multiprotokoll-Batterieladegeräten, einstellbaren CV- und CC-LED-Vorschaltgeräten, programmierbaren USB-PD-3.0+-Stromversorgungen (PPS), QC-Adaptern und ähnlichen Anwendungen können von der Verwendung der vollständig programmierbaren InnoSwitch3-Pro-ICs profitieren, die sich in AC/DC-Adaptern mit einer Leistung von bis zu 90 W und in offenen AC/DC-Netzteilen mit bis zu 100 W einsetzen lassen. Diese Bauteile sind auch nützlich, wenn eine Feinsteuerung des Ausgangsstroms und der Spannung erforderlich ist. Sie unterstützen Intervalle von 10 mV und 50 mA zur Feinabstimmung.

Die I²C-Schnittstelle in den InnoSwitch3-Pro-Komponenten soll die Entwicklung und Produktion voll programmierbarer Stromversorgungen (Bild 3) vereinfachen und ermöglicht eine dynamische Steuerung von Ausgangsstrom und -spannung. Zudem lässt sie sich zur Konfiguration der Stromversorgung, der CV-, CC- und CP-Sollwerte, der Schutzeinstellungen und zur Bearbeitung von Fehlermeldungen verwenden.

Hardware-konfigurierbare Lösungen

Für Anwendungen, die keine digitale Programmierbarkeit oder Überwachung erfordern, bietet Power Integrations die hardwarekonfigurierbaren Lösungen der Familien InnoSwitch3-CP (Bild 4) und -EP an. Wie der InnoSwitch3-Pro enthalten auch die Komponenten InnoSwitch3-CP und InnoSwitch-EP primäre und sekundäre Regler sowie eine verstärkte Isolierung, die für >4000 VAC in einem einzigen IC ausgelegt ist. Zu den Schutzfunktionen gehören Überspannungs- und Überstrombegrenzung am Ausgang, Über- und Unterspannungsschutz der AC-Leitung und Übertemperaturabschaltung. Die Bauteile zeichnen sich durch eine hohe Störfestigkeit aus und ermöglichen Designs, die die Leistungsstufen der EN61000-4 Klasse „A“ erfüllen.

Entwickler von hocheffizienten Sperrwandlern bis zu 100 W für Anwendungen wie USB-PD, QC-Adapter und ähnliche Anwendungen können von InnoSwitch3-CP-Bausteinen wie den INN3278C, INN3279C und INN3270C profitieren. Diese QR-Schalt-ICs verfügen über CV- und CC-Modi mit konstanten Leistungsprofilen und unterstützen Standardkombinationen von Selbsthaltung und Auto-Restart. Die Kabelverlustkompensation ist eine optionale Funktion.

Für Anwendungen wie Stromzähler, Industrie- und Smart-Grid-Stromversorgungen, Standby- und Bias-Strom für Haushaltsgeräte, Konsumgüter und Computer, die keine konstante Leistung benötigen, können Entwickler aus den InnoSwitch3-EP-Bausteinen wie dem INN3678C, INN3679C und INN3670C wählen.

InnoSwitch3-EP-Bauteile unterstützen eine gute Multi-Ausgangs-Cross-Regulation. Die Ausgangsstrommessung ist mit einem externen Widerstand einstellbar, während die CV/CC-Leistung sehr genau und unabhängig von externen Komponenten ist. Diese QR-Sperrwandler-Schalt-ICs sind mit optionalem Auto-Restart-Ausgangsunterspannungsschutz erhältlich und können mit Standard- oder Spitzenleistungsoptionen bestellt werden.

Um die Anzahl der Bauteile weiter zu reduzieren und die Leistung von AC/DC-Netzteilen zu verbessern, können Entwickler, die einen InnoSwitch3-PowiGaN-IC verwenden, auch den komplementären MinE-CAP-Kondensatorminiaturisierungs- und -Einschaltstrom-Management-IC für Designs mit sehr hoher Leistungsdichte einsetzen. Mit MinE-CAP kann das Volumen der Eingangskondensatoren um bis zu 50 Prozent reduziert werden, und ein NTC-Thermistor zur Begrenzung des Einschaltstroms wird überflüssig. Die Verwendung von MinE-CAP verringert auch die Belastung des Eingangs-Brückengleichrichters und der Sicherung, was zu einer höheren Zuverlässigkeit der Stromversorgung führt.

Wie die InnoSwitch3-ICs nutzt auch der MinE-CAP die geringe Größe und den niedrigen Durchlasswiderstand von PowiGaN-Bauelementen, um die Systemleistung zu erhöhen. MinE-CAP verbindet und trennt automatisch Segmente des Kondensatornetzes in Abhängigkeit von den Netzspannungsbedingungen. Auf diese Weise können Entwickler den kleinsten Kondensator für den Betrieb mit hoher Netzwechselspannung verwenden, während der größte Teil der Energiespeicherung in Kondensatoren mit niedrigerer Spannung für den Einsatz unter niedrigen Netzbedingungen untergebracht wird. Da Niederspannungskondensatoren wesentlich kleiner sind als Hochspannungskondensatoren, wird durch den Einsatz von MinE-CAP die Gesamtgröße der Eingangskondensatoren ohne Verringerung des Wirkungsgrads und ohne Erhöhung der Ausgangswelligkeit verringert, ohne dass ein neuer Leistungstransformator erforderlich wird.

Die Verwendung von MinE-CAP reduziert die Größe von Stromversorgungen ebenso effektiv wie die Erhöhung der Schaltfrequenz, um die Größe des Transformators zu verringern. MinE-CAP-Lösungen verwenden weniger Komponenten und eliminieren die Herausforderungen des Hochfrequenzdesigns, wie etwa erhöhte Transformator-/Klemmenverluste und höhere EMI.

Power Integrations bietet außerdem PI-Expert an, um das Design von Offline-Sperrwandler-AC/DC-Stromversorgungen mit den integrierten Offline-Sperrwandler-Schalt-ICs der Serie InnoSwitch3 von PowiGaN zu beschleunigen. PI Expert basiert auf einem automatisierten GUI und verwendet die Spezifikationen der Stromversorgung, um automatisch eine Lösung für die Energieumwandlung zu erstellen. Es bietet Entwicklern alle Details, die sie für den Bau und die Prüfung eines Prototyps eines Stromrichters benötigen. Mit PI Expert können Entwickler in wenigen Minuten ein komplettes Design erstellen.

Die Entwicklung mit PowiGaN-basierten InnoSwitch3-ICs ist die gleiche wie die mit Si-basierten InnoSwitch3-Bauteilen. PI Expert arbeitet in gleicher Weise bei der Optimierung von Schaltfrequenz, EMI-Filterung, Transformator-Design, Vorspannung und Synchrongleichrichtung für PowiGaN- und Si-Bauelemente. Das Tool implementiert automatisch alle Änderungen, die erforderlich sind, um die höhere Leistung von PowiGaN-basierten Designs zu erreichen. Das Tool erstellt einen interaktiven Schaltplan, eine vollständige Stückliste, detaillierte elektrische Parameter und Empfehlungen für das Leiterplattenlayout. Die Ergebnisse umfassen auch ein vollständiges magnetisches Design mit Kerngröße, Drahtstärke, Anzahl der parallelen Drähte, Anzahl der Windungen in jeder Wicklung und die Wickelanweisungen für die mechanische Montage. (prm)