如何利用整合式 GaN 開關，實現高效率、具成本效益的離線電源供應器

小型 100 W 電源供應器的應用範圍持續擴大，從 AC-DC 充電器和配接器、USB 電力傳輸 (PD) 充電器和快充 (QC) 配接器，到 LED 照明、白色家電、馬達驅動器、智慧型儀表和工業系統。這些離線返馳式電源供應器的設計人員，很難確保穩固性和可靠性，同時持續降低成本、改善效率，並縮小尺寸以達到更高的功率密度。

若要解決許多這類問題，設計人員可以使用以氮化鎵 (GaN) 等寬能隙 (WBG) 技術為基礎的元件，取代矽 (Si) 電源開關。如此便能直接改善電源供應器的效率，並降低對散熱的需求，進而達到更高的功率密度。不過，相較於矽，GaN 開關更難以驅動。

設計人員可以克服與快速切換速度有關的問題，例如雜散電感和電容量及高頻率振盪，但這麼做需要投入更多開發時間與成本。設計人員可改為選擇經過高度整合、內建 GaN 功率元件的離線返馳式切換器 IC。

本文將簡要探討 GaN 的優勢及其設計挑戰。接著介紹 Power Integrations 的三款內建 GaN 電源開關的整合離線返馳式切換器 IC 平台，並展示如何使用它們來打造高效率的電力轉換器設計。補強性 MinE-CAP 大容量電容微型化和湧入管理 IC，以及有用的線上設計環境，也在討論範圍內。

何為 GaN？GaN 的優勢在哪裡？

GaN 是一種 WBG 半導體材料，相較於矽而言，它具有低「導通」電阻、高崩潰強度、快速切換速度和高熱傳導率。以 GaN 代替矽所製造的開關，在開啟和關閉期間的切換損耗會降低許多。此外，導通電阻相當的情形下，GaN 元件的尺寸比矽元件小得多。因此，對於特定的晶粒尺寸，GaN 電源開關具有較少的綜合導通損耗和切換損耗 (圖 1)。

圖 1：對於特定的晶粒尺寸，GaN 元件具有較小導通電阻，因此總損耗比 Si MOSFET 更低。(圖片來源：Power Integrations)

GaN 雖有明確的優勢，但很難導入設計。例如，由於 GaN 元件的切換速度極快，驅動電路佈局可能對來自電路板和離散 GaN 封裝的雜散電感及電容量非常敏感。當驅動 GaN 元件時，可能會出現快速電壓擺盪 (dv/dt) 和高頻率振盪，而這會產生更多電磁干擾 (EMI)，並且需要濾除掉才能避免轉換器效率下降。此外，GaN 元件的快速切換性，使其很難避免故障狀況，因為元件受損的速度，可能比保護電路所能反應的速度更快。

簡約但不犧牲效能

Power Integrations 已透過自家的準共振 InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP 和 InnoSwitch3-Pro PowiGaN 切換器 IC，解決了這些複雜性 (圖 2)。PowiGaN 是 Power Integrations 內部開發的 GaN 電源開關技術，在 InnoSwitch3 離線返馳式切換器 IC 的一次側，取代傳統的矽電晶體。其實，此技術可將一次、二次和回授電路整合到單一表面黏著元件 (SMD) InSOP-24D 封裝中。如此一來，元件能降低驅動器佈局的複雜性及減少 EMI 的產生，同時減少導通和切換損耗，進而實現更有效率、更輕更小的配接器和充電器，以及開放式電源供應器。

藉助這種方法，電源供應器設計人員能夠專注在電力傳輸、熱效能、尺寸和其他應用考量上，而不會被具挑戰性的 GaN 技術分散注意力。

圖 2：含有 GaN 開關的 InnoSwitch3 離線返馳式切換器 IC，採用節省空間的 InSOP-24D 封裝。(圖片來源：Power Integrations)

這三個採 PowiGaN 技術的 InnoSwitch3 系列，已針對特定類別的應用進行最佳化：

• InnoSwitch3-CP 用於電池充電等應用，能從恆定的功率分佈特性中獲益。
• InnoSwitch3‑EP 用於多種消費和工業應用中的開放式 AC-DC 電源供應器。
• InnoSwitch3-Pro 元件包括一個 I²C 數位介面，能以軟體控制恆定電壓 (CV) 和恆定電流 (CC) 設定點、安全模式選項，以及異常處理。

InnoSwitch3 IC 具備準共振控制，整個負載範圍的效率高達 95%，並支援準確的 CV、CC 和恆定功率 (CP) 輸出，以便符合各式各樣的應用需求；還包含無損電流感測技術。後者免除了對外部電流感測電阻的需求，這些電阻會降低效率，甚至會超出離散設計中許多 GaN 開關的電阻值。

這些開關的其他主要特點包括二次側感測；專屬驅動器可用於同步整流 MOSFET；一次側和二次側控制器之間具有整合式 FluxLink 電感耦合回授連接，交流隔離性大於 4,000 VAC；符合全球能效要求；低 EMI；符合安全與法規要求，通過 UL1577 和 TUV (EN60950 和 EN62368) 安全認證；以及對 100% 負載變動幅度的瞬時暫態響應。

數位控制的離線 CV/CC QR 返馳式切換器 IC

在多重化學機制與多重協定電池充電器、可調式 CV 和 CC LED 安定器、高效率 USB PD 3.0+ 可編程電源供應器 (PPS)、QC 配接器，以及其他類似應用中，設計人員能夠從使用完全可編程的 InnoSwitch3-Pro IC 中獲益，包括 INN3378C、INN3379C 和 INN3370C。這些 IC 可用於 AC-DC 配接器，以提供高達 90 W 的功率，以及用於開放式 AC-DC 電源供應器，以提供高達 100 W 的功率 (表 1)。此外，當需要對輸出電流和電壓調整進行精細控制時，這些元件也非常有用；可支援 10 mV 和 50 mA 步階。

表 1：在運作時，InnoSwitch3-Pro IC 的輸入額定值為 230 VAC ±15%，以及 85 至 265 VAC。(表格來源： Power Integrations)

InnoSwitch3-Pro 元件內含 I²C 介面，能簡化完全可編程電源供應器的開發與生產作業 (圖 4)。此介面能夠對輸出電流和電壓進行動態控制。其用途包括設定電源供應器，控制 CV、CC 和 CP 設定點，以及過電壓和欠壓閾值等保護設定，還能處理故障回報。整合式 3.6 V 電源可用來驅動外部微控制器 (MCU)。此外，空載功耗小於 30 mW (包括感測線路及 MCU)，符合所有全球能效要求。

圖 3：InnoSwitch3-Pro IC 內含 I²C 介面，能進行完整數位控制與監測，還有整合式 3.6 V 電源 (uVCC)，能驅動外部 MCU。(圖片來源：Power Integrations)

硬體可設定式解決方案

對於不需要數位可編程性或監測的應用，Power Integrations 提供 InnoSwitch3-CP (圖 5) 和 InnoSwitch3-EP 系列的硬體可設定式解決方案。如同 InnoSwitch3-Pro，InnoSwitch3-CP 和 InnoSwitch-EP 元件在單一 IC 中提供一次側和二次側控制器，以及更強的隔離性，電壓額定值大於 4000 VAC。保護特點包括輸出過電壓和過電流限制、AC 線路過電壓和欠壓保護，以及過熱關斷。這些元件具備高雜訊耐受性，產生的設計能達到 EN61000-4「A」級效能等級。

圖 4：此圖顯示用於典型應用的 InnoSwitch3-CP，而一次側和二次側控制器之間具有 FluxLink 電感耦合回授連接 (虛線)。(圖片來源：Power Integrations)

針對 USB PD、QC 配接器等應用及類似的應用，若要設計高達 100 W 的高效率返馳式轉換器，設計人員可以從使用 InnoSwitch3-CP 元件中獲益，例如 INN3278C、INN3279C 和 INN3270C (表 2)。這些 QR 切換器 IC 具備功率分佈恆定的 CV 和 CC 模式，並支援閂鎖和自動重新啟動的標準組合。纜線壓降補償為選配特點。

表 2：InnoSwitch3-CP 系列用於配接器和開放式設計的功率額定值。(表格來源：Power Integrations)

對於公用事業儀表、工業和智慧電網電源供應器、白色家電的待機與偏置功率、消費性產品，以及未使用恆定電源作業的電腦等等，設計人員可以選擇 INN3678C、INN3679C 和 INN3670C 等 Switch3-EP 元件 (表 3)。

表 3：InnoSwitch3-EP IC 全功率額定值為 230 VAC ±15%，在 85 至 265 VAC 的寬廣輸入範圍中功率額定值降低。(表格來源：Power Integrations)

InnoSwitch3-EP 元件支援良好的多輸出交叉調節品質。輸出電流感測可使用外部電阻進行調整，CV/CC 效能也非常準確，且不受任何外部元件的影響。這些 QR 返馳式切換器 IC 可選配自動重新啟動輸出欠壓保護功能，也能訂購標準或峰值電力傳輸選項。

大容量電容微型化和湧入管理

若要進一步減少元件數，並加強 AC-DC 電源供應器的效能，設計人員除了採用 InnoSwitch3 PowiGaN IC，也能使用補強性 MinE-CAP 大容量電容微型化和湧入管理 IC，以打造功率密度極高的設計 (圖 8)。MinE-CAP 可將輸入大容量電容的數量最多減至 50%，而且讓設計不必使用湧入電流，以免限制負溫度係數 (NTC) 熱敏電阻。此外，MinE-CAP 的使用也能降低對輸入橋式整流器和保險絲的壓力，讓電源供應器更加可靠。

圖 5：在高密度 AC-DC 電源供應器中，MinE-CAP 大容量電容微型化和湧入管理 IC 是對 InnoSwitch3 離線返馳式切換器 IC 的自然補強元件。(圖片來源：Power Integrations)

如同 InnoSwitch3 IC，MinE-CAP 徹底善用 PowiGaN 元件的小巧尺寸和低導通電阻，來提升系統效能。MinE-CAP 根據 AC 線路電壓狀況，能自動連接和斷開大容量電容網路的區段。如此一來，設計人員可將最小的大容量電容 (圖 8 的 C_HV) 用於高 AC 線路電壓作業，同時將大部分的儲存能源置於電壓較低的電容 (C_LV)，以在低線路條件下使用。由於電壓較低的電容明顯比高電壓電容小，因此 MinE-CAP 的使用能縮小大容量輸入電容的整體尺寸，卻不會降低效率、不增加輸出漣波，也不需要重新設計功率變壓器。

MinE-CAP 的使用能縮小電源供應器的尺寸，這與提高切換頻率來縮小變壓器尺寸一樣有效。MinE-CAP 解決方案採用的元件更少，能免除一些高頻率設計挑戰，例如變壓器／箝位耗散增加、EMI 更高等等。

線上設計工具

此外，Power Integrations 還提供 PI Expert，用以透過 InnoSwitch3 系列的 PowiGaN 整合離線返馳式切換器 IC，加快離線返馳式 AC-DC 電源供應器的設計。PI Expert 以自動化圖形使用者介面 (GUI) 為基礎而打造，使用電源供應器規格來自動產生電力轉換解決方案。此工具可為設計人員提供所需的全部細節，有助於構建和測試原型電力轉換器。藉助 PI Expert，設計人員能在數分鐘內打造出完整的設計。

使用 PowiGaN 型 InnoSwitch3 IC 進行設計，就和使用矽型 InnoSwitch3 元件一樣。在針對 PowiGaN 和矽元件的切換頻率、EMI 濾波、變壓器設計、偏壓及同步整流進行最佳化時，PI Expert 採用相同的運作方式。此工具會自動實作任何必要的變更，以配合 PowiGaN 型設計的更高功率。此工具可產生互動式電路線路圖、完整物料清單、詳細電氣參數，以及電路板佈局建議。結果還包含完整的磁性設計，搭配核心大小、線厚度、並聯線數目、每繞組的轉數，以及機械組裝的繞組指示。

結論

針對從 AC-DC 充電器和配接器到工業系統的各種應用，設計人員需要提高離線 100 W 電源供應器的功率密度，並縮減相關的成本與開發時間。採用 GaN WGB 技術雖有幫助，但以 GaN 進行設計需要小心注意板件佈局，以及其他與高速切換有關的問題。

如本文所述，藉助以 InnoSwitch3 QR 返馳式切換器 IC 為基礎且整合度更高的方法，設計人員可以開發出精巧、高效率的電力轉換器。這些轉換器不僅能提供 GaN 開關的效能優點，同時還能減少採用新技術一般會帶來的相關風險。

透過使用 InnoSwitch3，並結合 Power Integrations 的 MinE-CAP 湧入電流管理和大容量電容微型化 IC，以及該公司的 PI Expert 線上設計工具，設計人員能夠更快地實作出小巧、穩固、具成本效益的電源供應器，並且元件數量少，符合全球效率標準。

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