氮化镓集成电路可提高电源效能效

在当今的电子世界中，从医疗设备、手机和笔记本电脑充电器，再到辅助电源，都需要电源转换器。不断缩小的封装尺寸、热量管理、可变输入电压和智能充电协议，都使得电源和转换器的设计变得愈加复杂，同时对能效的要求也越来越高。

过去十年间，利用氮化镓 (GaN) 片上集成电路 (IC) 的新型开关技术已然兴起。氮化镓电路在原子层面上的特征各不相同，因此电源转换器设计人员面临的既是挑战，又是解决方案。

GaN 半导体具有很宽的带隙；当 3.4 eV 时，其带隙是硅半导体的三倍多。与其他宽带隙材料一样，GaN 半导体能够在更高的电压和高达 +400°C 的温度下工作，使其可用于更高功率的应用，同时也能在更高的频率下工作，又使其可用于射频 (RF) 和 5G 应用。

在电源转换器应用中与硅 IC 相比，GaN 集成电路以更小的外形尺寸优化了与晶体管相关的损耗，如串联阻抗 (R_DS(ON)) 和并联电容 (C_OSS)。在与硅 IC 相同的占用面积内，GaN IC 不仅能够处理更高的频率，而且发热更少。这一特性让设计人员能够缩小或取消笨重的散热器。

不过，GaN 晶体管的控制可能比较棘手。这类晶体管能够耐受高频率，意味着控制驱动器必须在物理位置上靠近该晶体管，以消除延迟并有效降低该晶体管的开关速度，避免产生不必要的电磁干扰 (EMI)。使用 GaN 的电源转换器设计人员通过使用单器件来消除这些挑战，该器件组合了用于初级侧（输入）的高压电源开关和用于次级侧（输出）的控制 IC 以及反馈电路。

开关操作的详细特性

Power Integrations 利用其采用 PowiGaN™ 技术的 InnoSwitch3 产品开发出了多个系列的此类封装器件。例如，InnoSwitch3-CP 系列转换开关 IC（图 1）采用准谐振 (QR) 反激式控制器，以提供恒压 (CV)/恒流 (CC) 输出实现恒功率 (CP) 曲线。

该 IC 的初级侧和次级侧是电隔离的，但输出电压和电流信息通过感性耦合从次级控制器传输到初级控制器。FluxLink 通信技术可快速提供准确信息，以实现快速负载瞬态响应和高达 70 kHz 的开关频率。

图 1：InnoSwitch3-CP 系列转换开关 IC 的初级和次级控制器是电隔离的，但可以通过磁链路（虚线）共享反馈。(图片来源：Power Innovations）

InnoSwitch3-CP 系列的集成电路无需散热器即可处理 50 W 至 100 W 的功率，从而减小了电源的总体积。这些组件的额定连续工作电压为 650 V，但可承受高达 750 V 的浪涌。

对于使用 InnoSwitch3-CP 系列 IC 的电源来说，在其允许负载范围内的能效达到了 94% ，而硅基开关的能效约为 90%。InnoSwitch3-CP 系列不仅能效高，而且功耗极低（低于 30 mW），这有助于满足全球能效法规要求。

为确保安全并延长组件寿命，InnoSwitch3-CP 系列 IC 的初级和次级侧之间具有更强的 4,000 V_AC 电隔离能力，符合 Underwriters Laboratories (UL) 1577 标准，且每个装置都通过了 HIPOT 测试。其他安全功能包括对同步整流场效应晶体管 (SR FET) 栅极开路、输入线路欠压或过压以及输出过压的检测和响应。该 IC 控制器还能限制过流，并在发生过热前关断。

InnoSwitch3-EP 系列 IC（图 2）与 InnoSwitch3-CP 系列 IC 相似。这些 IC 并非针对单一恒定功率输出进行优化，而是采用加权次级侧调控 (SSR) 技术，将多路输出电压平均汇整为控制信号。

图 2：InnoSwitch3-EP 系列转换开关 IC 的输出功率范围取决于输入电压。该系列的结构与 InnoSwitch3-CP IC 相似，但在次级侧有一个选配型电流检测电阻器。(图片来源：Power Innovations）

InnoSwitch3-EP 系列 IC 还具有电压相关型输出。在 750 V 电压下，InnoSwitch3-EP IC 的输出功率为 50 W 至 100 W；在 1,250 V 电压下，输出功率可达 85 W。

在次级侧，InnoSwitch3-EP 系列可选配一个电流感测电阻器。启用此项检测功能后，可将该器件配置为在负载电流高于设定阈值并经过一段预设时间后自动重启。

InnoSwitch3-CP IC 通常用于消费类电源转换器，如根据 USB 电源传输 (PD) 协议、QuickCharge (QC) 协议或其他专有协议构建的转换器。InnoSwitch3-EP IC 具有更高的电压能力和灵活性，是工业环境电源以及公用事业电表、智能电网的理想之选。这些 IC 还用于各种电器的辅助电源、备用电源和偏置电源。

可编程电源

采用 InnoSwitch3-Pro IC（图 3）并通过集成电路 (I²C) 数字接口，可对输入、输出和故障进行更动态化的管理。用户还可在 25 kHz 至 95 kHz 范围内自定义满载开关频率，选择较低的值时可最大限度地减少大型变压器的热量积聚，而较高的频率则适用于小型变压器。

图 3：InnoSwitch3-Pro 系列转换开关 IC 可通过 I²C 接口实现数字控制，从而进行远程状态监控、电压和电流调节以及自定义开关频率。(图片来源：Power Innovations）

在环路中接入微控制器，可为 InnoSwitch3-Pro 系列 IC 提供额外保护。用户可以独立配置所需的输出过压和欠压故障响应。微型控制器还能监控输入电压，确保在出现欠压缓启动/欠压关断和过压情况时提供保护。此外，微控制器还用来检测 SR FET 栅极是否出现开路，并管理滞后热关断，从而更好地保护该 IC。

InnoSwitch3-Pro IC 具有高配置设计、低散热和高能效，使其非常适用于符合 USB PD 3.0、QC、自适应快速充电 (AFC)、快速充电协议 (FCP) 和超级充电协议 (SCP) 等协议的充电适配器。设计人员还可将这些 IC 用于电池充电器和可调 LED 镇流器，因为这些产品设计紧凑，热量积聚最小。

紧凑型电容器

像 InnoSwitch3 系列这样的开关式 IC 只是电源转换器和电源架构的一小部分。例如，大容量电容器是一种储能元件，可消除进入电源的交流电波动。这种电容器在电源中占用的空间可达 25%。

Power Integrations 利用 PowiGaN IC 开关技术开发了 MinE-CAP 产品，这是一种 IC 开关和控制器，可与两个较小的电容器配合使用，为给定的电源电压提供适当的电容（图 4）。额定值为 1 µF 至 5 µF 的陶瓷或电解电容器可承受高达 400 V 的电压，且始终处于工作状态。当检测到较低电压时，MinE-CAP 会激活一个额定电压为 160 V，但电容量更大的额外电解电容器。

MinE-CAP 将大容量电容器分成两个较小的部分，从而把所需空间减少了多达 40% ，除此之外，MinE-CAP 也无需使用浪涌负温度系数 (NTC) 热敏电阻。由 MinE-CAP 控制的电容器则是针对电源启动时的浪涌电流确定其容量大小的。

图 4：MinE-CAP 是一种基于 GaN 的 IC 控制器，可将电源的大容量电容器分割成两个较小的部分，从而减小所的需体积，最多可减少 40%。MinE-CAP 专用于 InnoSwitch3 DC/DC 转换产品。(图片来源：Power Innovations）

结语

使用 GaN 半导体的开关式 IC 组合了晶体管、控制 IC 和反馈电路，充分发挥了这种材料的耐高温、耐高电压和高频特性。使用这些 IC，就可以缩小印刷电路板，省去散热器，并创造性地放置电容器，从而将多功能电源置入更紧凑的封装中。Power Integration 的 InnoSwitch3 和 PowiGaN 系列等 GaN 产品特性优异，可能会继续引起追求更高功率密度和进一步小型化的设计人员的兴趣。