原标题：如何使用集成GaN开关实现高效率、经济高效的离线电源

　　紧凑型100瓦电源的应用范围不断扩大，从AC-DC充电器和适配器、USB电源传输(PD)充电器和快速充电(QC)适配器，到LED照明、白色家电、电机驱动器、智能仪表和工业系统。对于这些离线反激式电源的设计者来说，面临的挑战是确保稳健性和可靠性，同时继续降低成本，提高效率，降低形状系数以获得更高的功率密度。

　　为了解决其中许多问题，设计师可以用基于宽带隙(WBG)技术的器件(如氮化镓(GaN))来取代硅(Si)电源开关。这样做可以直接提高电源效率，减少散热需求，实现更高的功率密度。然而，与硅相比，GaN开关更难驱动。

　　设计者可以克服与快速开关速度相关的问题，例如杂散电感和电容以及高频振荡，但这样做需要额外的开发时间和成本。相反，设计师可以转向具有内部GaN功率器件的高度集成的离线反激式开关IC。

　　本文简要讨论了GaN的优点及其设计挑战。然后介绍了三种集成的离线反激式开关IC平台，以及功率集成的内部GaN功率开关，并展示了如何使用它们来产生高效率的功率转换器设计。讨论了互补型雷帽体电容器小型化和浪涌管理集成电路，以及一个有用的在线设计环境。

　　甘是什么?它有什么优点?

　　GaN是一种WBG半导体材料，与Si相比，它的“导通”电阻低，击穿强度高，开关速度快，热导率高。使用GaN代替Si可以制造在开启和关闭期间具有更低开关损耗的开关。此外，具有等效导通电阻的GaN器件比Si器件小得多。因此，对于给定的管芯尺寸，GaN功率开关具有较低的综合传导损耗和开关损耗(图1)。

　　GaN器件的导通电阻较低

　　图1：与硅MOSFET相比，对于给定的管芯尺寸，GaN器件具有较低的导通电阻，导致较低的总损耗(图像来源：电源集成)

　　虽然氮化镓有着明显的优势，但它的设计却极具挑战性。例如，由于GaN器件的开关速度极快，驱动电路布局对来自pc板和分立GaN封装的杂散电感和电容非常敏感。驱动GaN器件时可能出现的快速电压波动(dv/dt)和高频振荡会产生更多电磁干扰(EMI)，需要过滤掉这些电磁干扰，以防止变换器效率降低。此外，GaN器件的快速切换使得保护它们不受故障条件的影响变得困难，因为它们对器件的损坏速度比保护电路的反应速度要快。

　　简单而又不牺牲性能

　　功率集成通过其准谐振InnoSwitch3 CP、InnoSwitch3 EP和InnoSwitch3 Pro PowiGaN切换器IC解决了这些复杂性(图2)。PowiGaN是Power Integrations内部开发的GaN功率开关技术，它取代了InnoSwitch3离线反激式开关IC初级侧的传统硅晶体管。相反，它将一次、二次和反馈电路集成在单个表面贴装器件(SMD)InSOP-24D封装中。通过这样做，这些设备降低了驱动器布局的复杂性和EMI的产生，同时也降低了传导和开关损耗，实现了更高效、更轻、更小的适配器和充电器以及开放式机架电源。

　　使用这种方法，电源设计人员可以专注于电源传输、热性能、形状因素和其他应用考虑，而不会被具有挑战性的GaN技术分散注意力。

　　带有GaN开关的InnoSwitch3离线反激式开关IC的电源集成图像

　　图2:InnoSwitch3带GaN开关的离线反激式开关IC采用节省空间的InSOP-24D封装(图像来源：电源集成)

　　采用PowiGaN技术的三个InnoSwitch3系列针对特定类别的应用进行了优化：

　　InnoSwitch3 CP适用于电池充电等可受益于恒定功率模式的应用。

　　InnoSwitch3-EP适用于各种消费和工业应用中的开放式交流-直流电源。

　　InnoSwitch3 Pro设备包括一个I²C数字接口，用于软件控制恒压(CV)和恒流(CC)设定点、安全模式选项和异常处理。

　　InnoSwitch3 IC采用准谐振控制，在整个负载范围内效率高达95%，支持精确的CV、CC和恒功率(CP)输出，以满足各种应用需求，并包括无损电流检测技术。后者消除了对降低效率的外部电流感测电阻器的需要，甚至可以超过分立设计中许多GaN开关的电阻。

　　开关的其他关键功能包括二次侧传感、同步整流MOSFET的专用驱动器、一次侧和二次侧控制器之间的集成FluxLink感应耦合反馈连接，隔离>4000伏交流电(VAC)，符合全球能效要求，低电磁干扰、安全性和法规遵从性(UL1577和TUV(EN60950和EN62368)安全认证)，以及100%负载阶跃的瞬时瞬态响应。

　　数字可控离线CV/CC QR反激式开关IC

　　多化学和多协议电池充电器、可调CV和CC LED镇流器、高效USB PD 3.0+可编程电源(PPS)、QC适配器和类似应用的设计师可以从使用完全可编程InnoSwitch3 Pro IC(包括INN3378C、INN3379C、，INN3370C可用于提供高达90瓦的AC-DC适配器，以及高达100瓦的开放式机架AC-DC电源(表1)。当需要精确控制输出电流和电压调整时(支持10毫伏(mV)和50毫安(mA)步进)，这些设备也很有用。

　　InnoSwitch3 Pro集成电路表

　　表1:InnoSwitch3 Pro IC的额定输入电压为230 VAC±15%，输入电压为85至265 VAC(表来源：电源集成)

　　InnoSwitch3 Pro设备中的I²C接口简化了完全可编程电源的开发和生产(图4)。它可以动态控制输出电流和电压。它可用于配置电源、控制CV、CC和CP设定值、保护设置(如过压和欠压阈值)以及处理故障报告。集成3.6伏电源可用于为外部微控制器(MCU)供电。此外，<30毫瓦(mW)空载功耗(包括传感线路和MCU)满足所有全球能效要求。

　　电源集成图InnoSwitch3 Pro IC包括I²C接口

　　图3:InnoSwitch3 Pro IC包括一个用于全数字控制和监控的I²C接口，以及一个为外部MCU供电的集成3.6伏电源(uVCC)(图像来源：电源集成)

　　硬件配置解决方案

　　对于不需要数字编程或监控的应用，Power Integrations提供了InnoSwitch3 CP(图5)和-EP系列硬件可配置解决方案。与InnoSwitch3 Pro一样，InnoSwitch3 CP和InnoSwitch EP设备包括一次和二次控制器以及单个IC中额定电压>4000 VAC的强化隔离。保护功能包括输出过压和过流限制、交流线路过压和欠压保护以及超温停机。该设备具有高抗噪性，使设计符合EN61000-4“A”级性能水平。

　　FluxLink电感耦合反馈连接典型应用中InnoSwitch3 CP的功率集成图

　　图4：所示为InnoSwitch3 CP在一次侧和二次侧控制器之间具有FluxLink感应耦合反馈连接(虚线)的典型应用(图像来源：电源集成)

　　针对USB PD、QC适配器等应用和类似应用，高达100瓦的高效反激转换器的设计者可以从使用Inn3278C、INN3279C和INN3270C等InnoSwitch3 CP设备中获益(表2)。这些QR开关IC具有恒功率配置的CV和CC模式，并且支持闭锁和自动重启的标准组合。电缆跌落补偿是可选功能。

　　适配器和开放式机架设计的InnoSwitch3 CP系列额定功率表

　　表2：适配器和开放式机架设计的InnoSwitch3 CP系列额定功率(表来源：电源集成)

　　对于公用电表、工业和智能电网电源、白色家电的备用和偏置电源、消费品以及不使用恒功率操作的计算机等应用，设计师可以从INN3678C、INN3679C和INN3670C等InnoSwitch3 EP设备中进行选择(表3)。

　　InnoSwitch3 EP IC表的额定满功率为230 VAC±15%

　　表3:InnoSwitch3 EP IC的额定全功率为230 VAC±15%，额定降额功率为85至265 VAC的宽输入范围(表来源：电源集成)

　　InnoSwitch3 EP设备支持良好的多输出交叉调节。输出电流感测可通过外部电阻器进行调节，而CV/CC性能非常精确，且与任何外部元件无关。这些QR反激式开关IC具有可选的自动重启输出欠压保护，可以订购标准或峰值功率传输选项。

　　大容量电容器小型化和浪涌管理

　　为了进一步减少组件数量并提高AC-DC电源的性能，使用InnoSwitch3 PowiGaN IC的设计师也可以使用互补的MinE CAP体电容器小型化和涌入管理IC进行非常高的功率密度设计(图8)。MinE CAP可将输入大容量电容器的体积减少50%，并且无需使用浪涌电流限制负温度系数(NTC)热敏电阻。使用雷帽还可以降低输入桥式整流器和保险丝上的应力，从而提高供电可靠性。

　　功率集成图雷帽体电容器IC(点击放大)

　　图5:MinE CAP散装电容器小型化和涌入管理IC是高密度AC-DC电源中InnoSwitch3离线反激开关IC的自然补充(图像来源：电源集成)

　　与InnoSwitch3 IC一样，MinE CAP利用PowiGaN设备的小尺寸和低导通电阻来提高系统性能。根据交流线路电压条件，雷帽自动连接和断开大容量电容器网络的各个部分。这使得设计者能够使用最小的大容量电容器(图8中的CHV)进行高交流线路电压操作，同时将大部分能量储存在低压电容器(CLV)中，以便在低压线路条件下使用。由于低压电容器比高压电容器小得多，使用雷帽可以减小大容量输入电容器的总体尺寸，而不降低效率，不增加输出纹波，也不需要重新设计电力变压器。

　　雷帽的使用减少了电源的尺寸，就像增加开关频率缩小变压器尺寸一样有效。MinE CAP解决方案使用更少的组件，消除了高频设计挑战，如增加变压器/钳位损耗和更高的EMI。

　　在线设计工具

　　Power Integrations还提供PI Expert，以加快使用PowiGaN集成离线反激开关IC的InnoSwitch3线的离线反激AC-DC电源设计。围绕自动化图形用户界面(GUI)构建，PI专家使用电源规格自动生成电源转换解决方案。它为设计师提供了构建和测试原型电源转换器所需的所有细节。使用PI专家，设计师可以在几分钟内完成一个完整的设计。

　　使用基于PowiGaN的InnoSwitch3 IC进行设计与使用基于Si的InnoSwitch3设备相同。PI Expert在优化开关频率、EMI滤波、变压器设计、偏置和PowiGaN和Si设备的同步整流时也能起到同样的作用。该工具会自动执行所需的任何更改，以适应基于PowiGaN的设计的更高功能。该工具生成交互式电路原理图、完整的BOM表、详细的电气参数以及pc板布局建议。结果还包括完整的磁性设计，包括磁芯尺寸、导线厚度、平行导线数量、每个绕组的匝数以及机械装配的绕组说明。

　　结论

　　设计师需要提高功率密度，降低成本，并缩短从AC-DC充电器和适配器到工业系统等应用的离线100瓦电源的开发时间。使用GaN WGB技术可能会有所帮助，但使用GaN进行设计需要仔细注意电路板布局和与高速开关相关的其他问题。

　　如图所示，基于InnoSwitch3 QR反激式开关IC的更为集成的方法允许设计师开发优雅、高效的功率转换器，提供GaN开关的性能优势，同时降低通常与采用新技术相关的风险。

　　使用InnoSwitch3，结合Power Integrations的矿帽涌流管理和大容量电容器小型化IC，以及该公司的PI专家在线设计工具，设计人员可以更快地实现紧凑、坚固、经济高效的电源，且元件数量少，符合全球效率标准。