2021年10月26日 | 利用氮化镓芯片组实现高效率、超紧凑的反激式电源

目前市面上出现了一个新的芯片组，它由具有耐用的750V氮化镓(GaN)初级侧开关的反激式IC方案与创新的高频有源钳位方案组合而成，能够为手机、平板电脑和笔记本电脑设计出额定功率高达110W的新型超紧凑充电器。此芯片组来自Power Integrations，包含内部集成PowiGaN™开关的InnoSwitch™4-CZ零电压开关(ZVS)反激式控制器和提供有源钳位解决方案的ClampZero™产品系列。这些新IC可用于设计效率高达95%且在不同输入电压条件下保持恒定的反激式电源。

这种InnoSwitch4-CZ/ClampZero组合为反激式电源设计带来了耳目一新的新性能。由于变压器中存在初级漏感，初级侧需要有源钳位电路。当初级侧开关关断时，漏感换向会导致电压过冲，从而损坏MOSFET。一种常见的解决方案是使用无源电阻-电容-二极管(RCD)钳位来保护MOSFET（见图1）。钳位将漏感能量转移到钳位电容中，并在电阻中以热量的形式耗散。RCD钳位会降低反激效率，但可为MOSFET提供保护。

图1. 无源初级钳位RCD解决方案需要耗散大量的热量并且会限制反激式电源的效率

在每个开关周期中，钳位中的能量都会损失。这迫使设计者限制最大开关频率，而这又需要使用更大的变压器。因此，无源钳位解决方案会降低反激效率或导致电源体积更大和/或温度更高。更有效的方法是用有源钳位代替无源RCD网络。

有源钳位

有源钳位不消耗能量，而是再循环漏感能量，从而提高效率并减少热量产生。在有源钳位设计中，RCD缓冲器中的电阻由开关代替。如果使用ClampZero，开关则是PowiGaN器件（见图2）。初级开关关断后，次级控制指示ClampZero开关开通，并在初级开关开通前将钳位电容储能传输至次级。再循环钳位电路使得漏感电流得以换向，还可确保初级开关上的电压在其开通前为零(ZVS)。

图2. InnoSwitch4-CZ/ClampZero反激方案

在传统的有源钳位设计中，初级MOSFET和有源钳位开关以互补方式进行工作（因此这些钳位电路被称为“互补模式有源钳位”电路）。在这种工作模式下，变换器只能工作于非连续导通模式或临界导通模式，不能工作于连续导通模式。当需要宽输出电压范围的设计（如USB PD和PPS充电器）时，这对设计者来说是一个挑战，导致设计出电源在高输入电压下的导通必须非常不连续。然而，InnoSwitch4-CZ/ClampZero芯片组克服了这个限制。

InnoSwith4-CZ和ClampZero

InnoSwitch4-CZ和ClampZero IC芯片组采用复杂、非对称的非互补有源钳位控制方法，实现智能的零电压开关，同时支持非连续和连续导通工作模式，可提高设计灵活性，并在所有工作条件下实现效率最大化。新型反激式开关IC具有优异恒压/恒流精度，不受外围元件参数公差的影响，并且在提供输入电压检测等安全及保护功能的情况下，其空载功耗小于20mW。

InnoSwitch4-CZ产品系列采用薄型InSOP™-24D封装，同时集成了750V开关、初级和次级控制器、ClampZero接口、同步整流以及符合安全标准的反馈电路。高达140kHz的稳态满载开关频率降低了变压器尺寸，进一步提高功率密度。

InnoSwitch4-CZ/ClampZero芯片组适合于高效、紧凑的USB PD适配器、高密度反激式AC/DC电源和高达110W的高效恒压/恒流电源。InnoSwitch4-CZ IC支持可变输出电压和电流特性，并具有完善的保护功能，包括用于输出过压和欠压保护的自动重启动或锁存故障响应方式、输入欠压保护以及锁存或迟滞过温保护。

设计范例

设计者可以将InnoSwitch4-CZ和ClampZero IC与Power Integrations之前推出的MinE-CAP™ IC产品搭配使用，以设计出超紧凑型反激电源。MinE-CAP是对InnoSwitch4-CZ和ClampZero IC的自然补充；它可大幅缩小输入大容量电容的尺寸，而不会影响输出纹波、工作效率且无需重新设计变压器。 

与传统技术（如极高开关频率工作）相比，MinE-CAP可实现同等或更大的整体电源尺寸缩小，同时可避免与极高频设计相关的复杂EMI滤波和变压器/钳位耗散增加的挑战。MinE-CAP还能精确地管理交流上电时的浪涌电流，从而无需使用功耗较大的NTC或大型慢熔保险丝。 

Power Integrations推出的DER-928设计范例是一款适用于手机和笔记本电脑的超紧凑型60W USB PD 3.0充电器。设计特色如下：

• 使用了具有高压PowiGaN开关的InnoSwitch4-CZ有源钳位反激式开关IC (INN4073C)

• 使用了ClampZero有源钳位IC (CZ1062M)

• 使用了MinE-CAP大电容小型化IC (MIN1072M)

• 输入：90VAC - 265VAC

• USB-C PD输出：5V/3A；9V/3A；15V/3A；20V/3A

图3. DER-928设计范例：使用InnoSwitch4-CZ、ClampZero和MinE-CAP芯片组的60W超小型USB PD充电器，体积仅有24.4立方厘米（44平方毫米 x 高12.6毫米）

在上述设计中，用130µF输入电容替换100µF大电容可将峰值功率提高到90W。其他性能特性包括：

• 轻松符合DOE6和CoC v5 2016能效标准

• 提供输出过压和过流保护

• 内部集成热关断保护特性

• 空载输入功率<60mW，微控制器功耗为20mW

• 具有高功率密度的紧凑设计：30.3W/in3，不含外壳（即，60W/1.77in X 1.77in X 0.63in）

InnoSwitch4-CZ/ClampZero解决方案所包含的芯片组可提供65W至110W的输出功率（见表1）。它们可用于适配器或敞开式设计，支持85-264VAC输入电压，也可通过添加功率因数校正(PFC)前端电路支持385VDC工作。

表1. InnoSwitch4-CZ和ClampZero产品系列

总结

Power Integrations的InnoSwitch4-CZ/ClampZero芯片组使设计者能够为手机、平板电脑和笔记本电脑设计高达110W的超高密度充电器，这些设计在以前是无法实现的。InnoSwitch4-CZ IC可提供可变输出电压及恒流特性，非常适合于高效紧凑型USB-PD适配器和高效恒压/恒流电源。它们在提供输入电压检测等安全及保护功能的情况下，空载功耗小于30mW，并且可提供高达95%的效率，即使在不同输入电压、系统负载和输出电压下也能保持非常恒定的高效率。