Flyback napájecí zdroj je nejjednodušší typ zdroje, který se velmi často používá pro malé výkony (100 – 150W). Ke zvýšení účinnosti se nabízí cesta v podobě nahrazení výkonového spínače Si spínačem s technologií WBG (wide bandgap), jako je nitrid galia (GaN). Tím se nejen přímo zvýší účinnost, ale zároveň dochází k minimalizaci potřeby chladiče. Tím se celý návrh zmenší a dosáhne vyšší hustoty výkonu. Ve srovnání s technologií Si jsou však spínače GaN obtížněji řiditelné. Vznikají problémy s vysokou spínací frekvencí, mezi které patří rozptylová indukčnost a kapacita a vysokofrekvenční oscilace. Eliminace těchto jevů vyžaduje další čas a náklady na vývoj. Je tu řešení v podobě integrovaných obvodů s interním napájením pro GaN.
Tento článek stručně pojednává o výhodách GaN a problémech s jejich použitím. Představíme si tři integrované obvody typu Flyback s interními výkonovými spínači GaN od Power Integrations. Nezbytnou součástí miniaturizace je také použití kondenzátorů MinE-CAP.
Co je technologie GaN?
GaN je polovodičový materiál WBG(wide bandgap), který má ve srovnání s technologií Si velmi nízký odpor v sepnutém stavu, je schopna vysoké frekvence spínání a má vysokou tepelnou vodivost. Použití GaN místo Si umožňuje výrobu spínačů, které mají mnohem nižší ztráty v zapnutém i vypnutém stavu. GaN spínače jsou navíc mnohem menší než spínače Si.(obrázek 1).
Obrázek 1: Pro danou velikost matrice mají zařízení GaN nižší odpor, které vedou k nižším celkovým ztrátám ve srovnání s Si MOSFETy. (Zdroj obrázku: Power Integrations)
Přestože GaN má jasné výhody, může být náročné jej navrhnout. Například kvůli extrémně rychlým spínacím rychlostem může být uspořádání přídavných obvodů velmi citlivé na rozptylovou indukčnost a kapacitu. Rychlé výkyvy napětí (dv/dt) a vysokofrekvenční oscilace, které mohou nastat při řízení spínačů GaN, vytvářejí více elektromagnetického rušení (EMI), které je třeba odfiltrovat, aby se zabránilo snížení účinnosti převodníku. Rychlé přepínání GaN také ztěžuje jejich ochranu před poruchovými stavy, protože může dojít k poškození obvodu daleko rychleji než mohou zareagovat ochranné obvody.
Jednoduchost aniž by se snížil výkon
Power Integrations řeší tyto složitosti pomocí svých kvazi rezonančních integrovaných obvodů PowiGaN InnoSwitch3-CP , InnoSwitch3-EP a InnoSwitch3-Pro (obrázek 2). PowiGaN je interně vyvinutá technologie, která nahrazuje tradiční křemíkové tranzistory. Integruje primární, sekundární a zpětnovazební obvody do jednoho pouzdra InSOP-24D SMD. Tím se vyřeší problémy se složitostí, generování rušení EMI a současně se sníží ztráty vedení i při přepínání. To umožňuje efektivnější, lehčí a menší adaptéry a nabíječky.
Obrázek 2: InnoSwitch3 s integrovanými spínači GaN jsou dodávány v prostorově úsporném balení InSOP-24D. (Zdroj obrázku: Power Integrations)
Tři rodiny InnoSwitch3 s technologií PowiGaN jsou optimalizovány pro konkrétní typy aplikací:
- InnoSwitch3-CP je vodný pro nabíjení baterií, které mohou těžit z konstantního profilu napájení.
- InnoSwitch3-EP je vhodný pro napájecí zdroje AC-DC v řadě spotřebitelských a průmyslových aplikací.
- InnoSwitch3-Pro obsahují digitální rozhraní I²C pro softwarové řízení nastavených hodnot konstantního napětí (CV) a konstantního proudu (CC).
Integrované obvody InnoSwitch3 jsou vybaveny kvazi rezonančním prvkem s 95% účinností v celém rozsahu zátěže. Jsou schopny zajistit konstantní napětí, proud nebo výkon, aby splňovaly různé požadavky aplikací. Navíc obsahují technologii bezztrátového snímání proudu, která eliminuje potřebu externích odporů pro snímání proudu.
Mezi další klíčové vlastnosti InnoSwitch3 patří sekundární snímání strany, vyhrazený ovladač pro synchronizaci MOSFETu, integrované zpětnovazební propojení indukční spojky FluxLink mezi regulátory na primární a sekundární straně s izolací větší než 4 000 V střídavého proudu (VAC). Těmito vlastnostmi se dosahuje velmi nízkého rušení EMI a tím i soulad s předpisy UL1577 a TUV (EN60950 a EN62368).
Digitálně ovladatelné CV/CC flyback integrované obvody
Integrované obvody InnoSwitch3-Pro lze použít pro inteligentní nabíječky baterií, nastavitelné předřadníky s konstantním zdrojem proudu CC nebo napětí CV pro LED svítidla, programovatelné napájecí zdroje USB PD 3.0+(PPS), adaptéry QC a podobné aplikace. Integrované obvody INN3378C , INN3379C a INN3370C lze použít v adaptérech AC-DC s výkonem až 100W(tabulka 1). Tyto integrované obvody lze využít také pro jemné ovládání výstupního proudu a jemné nastavení napětí (podporovány jsou kroky 10 mV a 50 mA).
Tabulka 1: Integrované obvody InnoSwitch3-Pro jsou dimenzovány pro provoz se vstupem 230 VAC ± 15% a vstupem 85 až 265 VAC. (Zdroj tabulky: Integrace napájení)
Rozhraní I²C v obvodech InnoSwitch3-Pro zjednodušuje vývoj a výrobu plně programovatelných napájecích zdrojů (obrázek 4). I²C umožňuje dynamické ovládání výstupního proudu a napětí a lze jej také použít ke konfiguraci napájecího zdroje, nastavení různých typů ochran jako jsou prahové hodnoty přepětí a podpětí. Integrovaný 3,6 voltový zdroj lze použít k napájení externího mikrokontroleru. Spotřeba energie naprázdno je menší než 30 mW (včetně sense line a MCU). Tato hodnota splňuje všechny globální požadavky na energetickou účinnost.
Obrázek 3: Integrované obvody InnoSwitch3-Pro obsahují rozhraní I²C pro úplné digitální ovládání a monitorování. Integrované 3,6 voltové napájení (uVCC) se využije pro napájení externího MCU. (Zdroj obrázku: Power Integrations)
Hardwarově konfigurovatelná řešení
Pro aplikace, které nevyžadují digitální programovatelnost nebo monitoring nabízí Power Integrations rodinu InnoSwitch3 -CP (obrázek 5) a -EP. Stejně jako obvody InnoSwitch3-Pro, obvody InnoSwitch3-CP a InnoSwitch-EP obsahují primární a sekundární regulátory a zesílenou izolaci dimenzovanou na více než 4000 VAC v jednom IC. Mezi ochranné funkce patří omezení výstupního přepětí a nadproudu, přepěťová a podpěťová ochrana střídavého proudu a vypnutí při nadměrné teplotě. Obvody mají vysokou odolnost proti rušení, a to umožňuje provedení, která splňují výkonnostní úrovně třídy „A“ EN61000-4.
Obrázek 4: InnoSwitch3-CP v typické aplikaci s indukční vazbou FluxLink (přerušovaná čára) mezi regulátory na primární a sekundární straně. (Zdroj obrázku: Power Integrations)
Obvody INN3278C , INN3279C a INN3270C jsou vhodné pro flyback měniče až do hodnoty 100 wattů (tabulka 2). Tyto obvody mají režimy CV a CC s profily konstantního výkonu a podporují standardní funkce blokování a automatického restartu. Mezi volitelné funkce patří kompenzace úbytku napětí na kabelu.
Tabulka 2: Výkony řady InnoSwitch3-CP pro různé typy adaptérů. (Zdroj tabulky: Integrace napájení)
Pro měřiče energií, průmyslové a inteligentní síťové napájecí zdroje, záložní napájení pro spotřební elektroniku, které nepoužívají provoz s konstantním napájením lze použít obvody InnoSwitch3-EP jako jsou INN3678C , INN3679C a INN3670C (tabulka 3).
Tabulka 3: Integrované obvody InnoSwitch3-EP jsou dimenzovány na plný výkon při 230 VAC ± 15% a snížený výkon se širokým vstupním rozsahem 85 až 265 VAC. (Zdroj tabulky: Integrace napájení)
Obvody InnoSwitch3-EP podporují křížovou regulaci více výstupů. Snímání výstupního proudu je nastavitelné pomocí externího rezistoru, zatímco výkon CV/CC je velmi přesný a nezávislý na externích součástkách.
Miniaturizace blokovacího (Bulk) kondenzátoru a omezení Inrush proudu
Pro další snížení počtu součástek a zvýšení výkonu napájecích zdrojů AC-DC lze použít komplementární MinE-CAP – Bulk kondenzátor a inrush management (obrázek 8). MinE-CAP snižuje objem blokovacího bulk kondenzátoru až o 50% a není potřeba záporného teplotního koeficientu (NTC) pro eliminaci Inrush proudu (nárazový proud při zapnutí). Použití MinE-CAP snižuje napětí na usměrňovači a pojistce vstupního můstku, a to vede ke zvýšení spolehlivosti napájecího zdroje.
Obrázek 5: Miniaturizace pomocí MinE-CAP je přirozeným doplňkem integrovaných obvodů InnoSwitch3 v napájecích zdrojích AC-DC. (Zdroj obrázku: Power Integrations)
MinE-CAP automaticky připojuje a odpojuje kapacitní segmenty v závislosti na podmínkách střídavého síťového napětí. To umožňuje použít nejmenší Bulk kondenzátor (CHV na obrázku 8) pro provoz při vysokém střídavém síťovém napětí a zároveň většinu energie uložit do kondenzátorů s nižším napětím (CLV). Kondenzátory pro nižší napětí jsou výrazně menší než kondenzátory pro vysoké napětí. Použitím MinE-CAP se snižuje celková velikost vstupních kondenzátorů bez snížení účinnosti, bez zvýšení zvlnění na výstupu a bez nutnosti přepracování výkonového transformátoru.
MinE-CAP zmenšuje velikost napájecích zdrojů stejně efektivně jako zvýšení spínací frekvence a následné zmenšení velikosti transformátoru. Řešení s MinE-CAP používá méně komponentů a dochází ke snížení elektromagnetického rušení EMI.
Online nástroje
Power Integrations nabízí online nástroj PI Expert pro urychlení návrhu AC-DC napájecích zdrojů. PI Expert poskytuje všechny detaily potřebné k sestavení a testování prototypu výkonového měniče. Pomocí PI Expert lze vypracovat kompletní návrh během několika minut.
Návrh elektronického obvodu s InnoSwitch3 založených na PowiGaN je stejný jako návrh s InnoSwitch3 na bázi Si. PI Expert funguje stejně při optimalizaci spínací frekvence, filtrování EMI, návrhu transformátoru, předpětí a synchronizaci pro technologii PowiGaN i Si. Tento nástroj vytváří interaktivní schéma zapojení, kompletní kusovník, podrobné elektrické parametry a doporučení pro rozložení desky plošných spojů. Výstupem je také kompletní magnetický design s velikostí jádra, tloušťkou vodiče, počtem paralelních vodičů, počtem závitů v každém vinutí a pokyny pro navíjení pro mechanickou montáž.
Závěr
Zvýšení výkonu, snížení nákladů a zkrácení doby vývoje se nevyhne ani napájecím zdrojům. K tomu nám pomůže FaN WGB, kde je nutné dbát na pečlivé rozložení desky a je nutné si dát pozor na problémy s vysokou rychlostí spínání. Integrované obvody InnoSwitch3 umožňují vyvinout vysoce účinné měniče, které jsou založeny na technologii GaN. InnoSwitch3 v kombinaci s integrovaným řízením MinE-CAP a online nástroji společnosti PI Expert lze rychleji vyvinout kompaktní, robustní a nákladově efektivní napájecí zdroje. Více informací o online nástroji PI Expert naleznete v následujícím článku Building an AC/DC Switcher is Easy with PI Expert
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.
