利用氮化鎵芯片組實(shí)現高效率、超緊湊的反激式電源

目前市面上出現了一個(gè)新的芯片組，它由具有耐用的750V氮化鎵(GaN)初級側開(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，能夠為手機、平板電腦和筆記本電腦設計出額定功率高達110W的新型超緊湊充電器。此芯片組來(lái)自Power Integrations，包含內部集成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可用于設計效率高達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計帶來(lái)了耳目一新的新性能。由于變壓器中存在初級漏感，初級側需要有源鉗位電路。當初級側開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，漏感換向會(huì )導致電壓過(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MOSFET（見(jiàn)圖1）。鉗位將漏感能量轉移到鉗位電容中，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。

圖1 無(wú)源初級鉗位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。這迫使設計者限制最大開(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 )降低反激效率或導致電源體積更大和/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。在有源鉗位設計中，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）。初級開(kāi)關(guān)關(guān)斷后，次級控制指示ClampZero開(kāi)關(guān)開(kāi)通，并在初級開(kāi)關(guān)開(kāi)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(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

在傳統的有源鉗位設計中，初級MOSFET和有源鉗位開(kāi)關(guān)以互補方式進(jìn)行工作（因此這些鉗位電路被稱(chēng)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導通模式或臨界導通模式，不能工作于連續導通模式。當需要寬輸出電壓范圍的設計（如USB PD和PPS充電器）時(shí)，這對設計者來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰，導致設計出電源在高輸入電壓下的導通必須非常不連續。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芯片組采用復雜、非對稱(chēng)的非互補有源鉗位控制方法，實(shí)現智能的零電壓開(kāi)關(guān)，同時(shí)支持非連續和連續導通工作模式，可提高設計靈活性，并在所有工作條件下實(shí)現效率最大化。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(shí)集成了750V開(kāi)關(guān)、初級和次級控制器、ClampZero接口、同步整流以及符合安全標準的反饋電路。高達140kHz的穩態(tài)滿(mǎn)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(guò)壓和欠壓保護的自動(dòng)重啟動(dòng)或鎖存故障響應方式、輸入欠壓保護以及鎖存或遲滯過(guò)溫保護。

設計范例

設計者可以將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(huì )影響輸出紋波、工作效率且無(wú)需重新設計變壓器。

與傳統技術(shù)（如極高開(kāi)關(guān)頻率工作）相比，MinE-CAP可實(shí)現同等或更大的整體電源尺寸縮小，同時(shí)可避免與極高頻設計相關(guān)的復雜EMI濾波和變壓器/鉗位耗散增加的挑戰。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或大型慢熔保險絲。

Power Integrations推出的DER-928設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。設計特色如下：

●   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能效標準

●   提供輸出過(guò)壓和過(guò)流保護

●   內部集成熱關(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(jiàn)表1）。它們可用于適配器或敞開(kāi)式設計，支持85-264VAC輸入電壓，也可通過(guò)添加功率因數校正(PFC)前端電路支持385VDC工作。

表1 InnoSwitch4-CZ和ClampZero產(chǎn)品系列

總結

Power Integrations的InnoSwitch4-CZ/ClampZero芯片組使設計者能夠為手機、平板電腦和筆記本電腦設計高達110W的超高密度充電器，這些設計在以前是無(wú)法實(shí)現的。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95%的效率，即使在不同輸入電壓、系統負載和輸出電壓下也能保持非常恒定的高效率。