GaN转变充电器设计方案详解

氮化镓（GaN）开关技术使充电器和适配器的小型化取得了进步。与使用等效硅器件的电路相比，它允许开发可在高开关频率下工作的转换器。GaN减小了变压器的尺寸，提供了可显着提高系统效率的解决方案，从而减少或消除了对散热片的需求。通过使用基于GaN的晶体管和IC，设计人员一直在生产小型充电器。Power Integrations一直处于GaN革命的最前沿，可为许多客户批量提供完整的电源解决方案。本文探讨了GaN器件的功能，并讨论了解决该技术带来的挑战的策略。

电源架构的变化

十多年前，一（1）立方英寸充电器成为低功率反激式充电器的标志性足迹。该技术将封套尺寸推到了效率极限所允许的范围，这在当时是最好的。任何反激式设计中的电源开关都是造成功率损耗，在每次开关转换期间耗散功率以及导通的原因。开关损耗和传导损耗彼此成反比。随着开关管芯面积的增加以减小RDS（ON）（导通损耗），开关损耗也会增加。超级结，垂直和横向的不同硅晶体管技术都在竞争以减少器件的综合损耗。但是，通过从根本上减少开关损耗和传导损耗，GaN极大地提高了充电器和适配器的开关效率。

图1：GaN技术（以红色显示）能够降低在离线反激电压（开关额定值为600 – 750 V）下工作的电源开关的总开关损耗

由于引入了GaN开关而引起的开关效率变化也极大地降低了热挑战，从而导致了充电器的进一步小型化。这些变化的摘要如图2所示，该图将传统和以前的高效适配器与Power Integrations的Innoswitch™AC-DC转换器IC（包括最新的使用GaN电源开关的家族成员）供电的适配器的性能进行了比较。

图2：随着电源开关效率的提高，能量损失（热量）减少。热量的减少意味着从设备传导热量所需的表面积也减少了。表面积的减小意味着电源的受热量限制的体积（电源必须具有的最小尺寸才能处理产生的热量）也减小了。有趣的是，使用准谐振反激电源以70 kHz的平均开关频率工作时，也可以实现最高效率的设计。
热限制体积∝（（1-效率）/ 6）3/2 

GaN开关效率的阶梯式变化于2018年首次出现在充电器和适配器中，并导致充电器/适配器的占位面积以及体积比与图2中所述的体积比显着降低，从而大大减少。图3显示了最新的GaN充电器，采用Power Integrations的PowiGaN™GaN晶体管技术，与突破性的2008年设计和采用最佳现有硅开关技术的高性能设计相比。

图3：GaN技术的引入极大地减小了充电器的尺寸。开关频率保持相似，拓扑结构也相似-但是对功率开关技术的改进和显着的集成极大地提高了性能。

应对GaN的挑战

GaN器件重新设计了功率密度的思想。最成功的电源设计利用提高的开关效率来减小转换器的尺寸。驱动GaN器件给设计人员带来了挑战，在实际设计中必须克服这些挑战。GaN器件的开关速度非常快。栅极和源极连接之间的寄生电容以及栅极阱和漏极衬底之间的栅极-漏极电容（密勒电容）非常小（几nC量级），这确保了快速的开关转换导致低开关损失。

为了关闭GaN器件同时避免错误触发，分立的电流检测电路，请插入一个接近（有时在某些情况下超过！）GaN开关导通电阻的串联阻抗。该电阻对于确保准确的短路检测和保护电路的快速环路响应是必不可少的。在追求最大效率的设计中，这是一个缺点。因此，工程师们正在转向集成无损电流感测电路，该电路将SenseFET内置到GaN器件的结构中。

图4：离散GaN电路中对电流检测电阻的需求是一个挑战。为了引起快速的环路响应，必须增加电阻以产生足够的电压降，以使电流感测电路具有较强的偏置能力。在上面的简化示意图中，电阻值是实际参考设计所规定的值。

如果不加以调节，快速开关转换将在电路中产生严重的噪声问题。迹线电感和开关电容的结合会在开关事件期间引起高频振铃，从而在电路工作中引起噪声问题。对于GaN开关，通过布局和GaN集成相结合，通过减小开关环路（和次级整流器环路，在变压器中表现为“额外”泄漏电感）的尺寸来减小寄生电感。图5显示了有助于GaN开关电路振铃的电路元件。

图5：在过渡期间有助于开关振荡的元素。注意变压器匝数比放大的次级走线电感对初级漏感的贡献

除了控制环路电感之外，还必须考虑适当地确定栅极驱动电路的尺寸，功率开关的尺寸和栅极电荷特性。为了减少交叉损耗（栅极电压和电流），需要栅极过渡。降低EMI变化率受栅极电阻和驱动源极/吸收电流组合的限制，这应与GaN器件相匹配。图6比较了大小合适的栅极驱动器的GaN和Si开关的跃迁速率。

图6：使用相同的变压器和布局方法进行类似设计的Si截止与GaN截止的比较。请注意，GaN器件具有更明确的关断特性，可迅速克服Miller电容和相关的栅极电荷以关断器件。

驱动功率FET时，还需要考虑其他几个方面。启动过程中如何控制常开GaN结构；将硅开关中的漏极电压过高引起的击穿和雪崩与GaN器件中更鲁棒的参数移位现象进行了比较；优化开关频率并在变压器尺寸与较小的热限制体积之间进行权衡取舍；可编程电源转换以及USB PD和PPS对电路效率的限制。

编辑：hfy