憑借PowiGaN專利技術(shù)，PI將GaN引入充電和照明應(yīng)用

隨著摩爾定律走向極限，要提升半導(dǎo)體性能只能通過(guò)發(fā)掘新材料實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于 Si 晶體管，GaN 晶體管的禁帶寬度更大，導(dǎo)熱率和能量密度更高，穩(wěn)定性更好，因此很多公司在十幾年前就開(kāi)始研發(fā) GaN 技術(shù)，但是由于成品率很低，成本居高不下。而且對(duì)比 MOSFET 開(kāi)關(guān)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，GaN 開(kāi)關(guān)工作于高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)其必須與控制器驅(qū)動(dòng)進(jìn)行良好配合，且對(duì) PCB 的布局十分敏感，工程師想設(shè)計(jì)一個(gè)安全可靠的 GaN 開(kāi)關(guān)很有挑戰(zhàn)性。但是 PI 近期發(fā)布的 InnoSwitch 3 系列恒壓 / 恒流離線反激式開(kāi)關(guān)電源 IC 和 LYTSwitch-6 IC 讓 GaN 的應(yīng)用有了新的突破。

PI 資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光向與非網(wǎng)記者介紹，“InnoSwitch3 的新 IC 可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供 95%的高效率，并且在密閉適配器內(nèi)不使用散熱片的情況下可提供 100 W 的功率輸出。在 LYTSwitch-6 產(chǎn)品系列中使用 PowiGaN 開(kāi)關(guān)增大了該產(chǎn)品的輸出功率范圍及擊穿電壓范圍，如果包含前級(jí)升壓 PFC，基于 PowiGaN 開(kāi)關(guān)的 LYTSwitch-6 參考設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn) 90%的系統(tǒng)效率。”

PI 資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光

PowiGaN讓InnoSwitch 3效率、輸出功率實(shí)現(xiàn)“雙升”

InnoSwitch 3可以達(dá)到100 W 的功率輸出，實(shí)現(xiàn)95%的效率，PI 的專利技術(shù) PowiGaN 技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。InnoSwitch 3 系列產(chǎn)品以前都是基于 Si 技術(shù)研發(fā)，在 65 W 的應(yīng)用中非常有效，但隨著市場(chǎng)對(duì)更大輸出功率的應(yīng)用要求，PI 將 PowiGaN 技術(shù)集成到 InnoSwitch 3 中，使其輸出功率從 65W 提高到 100W，可以滿足更多移動(dòng)快充及 PD 適配器等更高輸出功率范圍的應(yīng)用。

InnoSwitch 3 包含三個(gè)系列：InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP 和 InnoSwitch3-Pro。其中，InnoSwitch3-CP 適合 PD 中的恒功率應(yīng)用，InnoSwitch3-EP 適合家電中的敞開(kāi)式應(yīng)用，因其周圍環(huán)境溫度比較低，散熱好，因而能夠輸出更高的輸出功率；InnoSwitch3-Pro 則適用于 PD 及 PPS 應(yīng)用，利用數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流的精準(zhǔn)控制及調(diào)節(jié)，滿足可編程電源的使用需要。

在 InnoSwitch 3 系列產(chǎn)品中，INN3X79C 和 INN3X70C 內(nèi)部集成了 GaN 開(kāi)關(guān)，用于 PD 可以做到 90W，敞開(kāi)式可以做到 100W。主要應(yīng)用于對(duì)尺寸和效率有較高要求的應(yīng)用，例如：非原裝 USB PD 適配器，可以把體積做得更小，還適用于高端手機(jī)充電器和其它移動(dòng)設(shè)備，筆記本適配器，電視機(jī)、服務(wù)器待機(jī)電源、視頻游戲機(jī)等產(chǎn)品。

閻金光解釋，“我們把 GaN 開(kāi)關(guān)集成到 IC 內(nèi)部，優(yōu)勢(shì)在于控制器、開(kāi)關(guān)和 GaN 保護(hù)已經(jīng)在 IC 內(nèi)部做好，用戶無(wú)法改變，消除了分立元件方案中 GaN 開(kāi)關(guān)受外圍元件參數(shù)變化及布局所帶來(lái)的影響，因此更加可靠。GaN 開(kāi)關(guān)是功率技術(shù)的未來(lái)，它并不只應(yīng)用于小功率設(shè)計(jì)，將來(lái)還可以應(yīng)用在更高的功率中使用，因而安全可靠是保證其能在消費(fèi)類電子領(lǐng)域大批量應(yīng)用的基礎(chǔ)?！?/p>

保證產(chǎn)品使用的一致性、連貫性、易用性

雖然新型 InnoSwitch 3 產(chǎn)品的功率更大，效率更高，但是基于 GaN 的開(kāi)關(guān)和基于 MOSFET 的開(kāi)關(guān)在電源工作方式上沒(méi)有區(qū)別，使用者只會(huì)感受到其帶來(lái)的效率大幅提升，不會(huì)對(duì)其開(kāi)關(guān)工作方式感受到有何不同，工程師在使用 GaN 開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)也和 MOSFET 基本一致。

如上圖，整個(gè)電路采用簡(jiǎn)單的反激式電路拓?fù)?/a>結(jié)構(gòu)，無(wú)論采用硅晶體管的還是采用 PowiGaN 開(kāi)關(guān)的 InnoSwitch3 IC 均使用相同的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)流程，而且是相同的開(kāi)關(guān)頻率，根據(jù)輸出功率的不同選取相應(yīng)的外部電路元件即可，而開(kāi)關(guān)波形也完全一樣，工作時(shí)無(wú)其它異常的電路特性表現(xiàn)及增加特別的設(shè)計(jì)考量。

InnoSwitch3 可以做到 100K 的開(kāi)關(guān)頻率，有些公司可能給出更高的參數(shù)指標(biāo)，閻金光特別解釋，“一般開(kāi)關(guān)頻率越高，變壓器的體積越小，電源體積越小，但是開(kāi)關(guān)頻率高，也同時(shí)犧牲了 GaN 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)損耗低的優(yōu)勢(shì)；再者，因頻率增高會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的 EMI 問(wèn)題，需要加很多 EMI 濾波器件滿足 EMI 測(cè)試要求，這反而對(duì)高功率密度的電源設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。 所以電源體積大小并不完全取決于開(kāi)關(guān)頻率的大小，所以并不是頻率越高就能充分利用 GaN 開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)，因此需要在合適的頻率范圍內(nèi)使用 GaN 開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)效率、體積、EMI、成本的綜合考量。”

PowiGaN帶來(lái)更高效率和輸出功率

GaN增加了InnoSwitch 3的效率和輸出功率

大家知道，當(dāng)功率達(dá)到一定程度，電源并不是只做一級(jí) DC-DC 變換，前面會(huì)有 PFC 校正電路，其輸出是 400V DC，所謂 PFC 就是功率因數(shù)矯正，如果電路中有 PFC 前級(jí)，則可以讓 GaN 開(kāi)關(guān)構(gòu)成的 DC-DC 部分輸出更高的輸出功率。從上圖可以看出，GaN 增加了 InnoSwitch 3 的效率和輸出功率，GaN 的耐壓可以做到 750V，能夠滿足更多對(duì)可靠性有更高要求的應(yīng)用。

MOSFET 的輸出電容在開(kāi)通時(shí)通過(guò)其本身進(jìn)行放電，開(kāi)關(guān)損耗隨著管子大小的增大而增加，導(dǎo)通損耗隨著管子大小的增大而減少。但開(kāi)關(guān)損耗的增加抵消了導(dǎo)通損耗的降低部分，因而對(duì)于更高功率的應(yīng)用，很難通過(guò)增大 MOSFET 的方式提高效率。

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針對(duì) GaN 開(kāi)關(guān)，導(dǎo)通損耗隨著器件增大而降低，開(kāi)關(guān)損耗隨著器件增大很小，總之，GaN 開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)于 MOSFET 開(kāi)關(guān)更低。和上圖對(duì)比可見(jiàn)，采用 GaN 開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗隨器件尺寸的增加增量極少，因而可以大幅改善較高輸出功率應(yīng)用的電源效率。

基于 PowiGaN 的 InnoSwitch-3 設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn) 95%的滿載效率，在適配器設(shè)計(jì)中可省去散熱片。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，PowiGaN 的高效率還可提高 60 W USB PD 電源在各種負(fù)載下的性能，在各種負(fù)載下的高效率性能與標(biāo)準(zhǔn) InnoSwitch3 方案一致，適合于大功率 USB-PD 應(yīng)用；在 115 VAC 下的平均效率為 92.5%，在 230 VAC 下則為 93.3%。

采用 PowiGaN 技術(shù)的 InnoSwitch-3 參考方案

PowiGaN增強(qiáng)LYTSwitch-6的性能

除了 InnoSwitch-3 系列，PI 還將 PowiGaN 技術(shù)引入了用于照片應(yīng)用的 LYTSwitch-6 系列 IC 當(dāng)中，其中 LYT6079C 輸出功率可以達(dá)到 100 W，LYT6070C 的輸出功率可以達(dá)到 110 W，耐壓達(dá)到 750V。該系列特別適合對(duì)效率有要求的應(yīng)用，比如對(duì)高度有要求的天花板 LED 燈具驅(qū)動(dòng)，高低艙頂燈燈具，LED 路燈驅(qū)動(dòng)，以及工業(yè)用 12V 或 24V 恒壓輸出應(yīng)用。

相對(duì)分立元器件驅(qū)動(dòng)方案，需要外加電流檢測(cè)電阻，而采用 PowiGaN 的方案，GaN 已經(jīng)集成到 IC 內(nèi)部，不需要電流檢測(cè)電阻，因此總體效率并不比分立器件差。而 PI 獨(dú)有的 FluxLink 初次級(jí)耦合技術(shù)可以保證在任何工作條件下同步整流的優(yōu)勢(shì)可以發(fā)揮到極致，因而實(shí)現(xiàn)更高的電源轉(zhuǎn)換效率。

如上圖所示，第一級(jí)綠色部分采用了 PI 公司的 HiperPFS-4 和 Qspeed 升壓二極管，可以保證輸出母線電壓保持 400V，這樣后級(jí) DC-DC 的輸入電壓更高；后面黃色部門(mén)的第二級(jí)使用了集成 PowiGaN 開(kāi)關(guān)的 LYTSwitch-6 實(shí)現(xiàn)反激變換，最后輸出 48V，在 277VAC 下，兩級(jí)變換的滿載效率仍然可以達(dá)到 90.5%。

采用 PowiGaN 技術(shù)的 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的 LYTSwitch-6 方案

目前，PI 的 Expert 現(xiàn)在已經(jīng)支持 PowiGaN 器件的設(shè)計(jì)，可以實(shí)時(shí)創(chuàng)建符合客戶規(guī)格參數(shù)的自定義方案，提供在不同工作條件下、啟動(dòng)及過(guò)載時(shí)均可正常工作的設(shè)計(jì)方案，完整的電路原理圖–包括 EMI 濾波器和散熱設(shè)計(jì)指南，物料清單也允許用戶根據(jù)喜好自行調(diào)整，以采用所偏好的元件。

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