Como usar comutadores de GaN integrados para fontes de alimentação off-line econômicas e de alta eficiência

By Jeff Shepard

Contributed By Digi-Key's North American Editors

A gama de aplicações para fontes de alimentação compactas de 100 watts continua a aumentar, desde carregadores e adaptadores CA-CC, carregadores de alimentação USB (PD), e adaptadores de carga rápida (QC), até iluminação LED, linha branca, acionamentos de motores, medidores inteligentes e sistemas industriais. Para os projetistas dessas fontes de alimentação com transformador fora da rede, ou flyback off-line, o desafio é garantir robustez e confiabilidade, e ao mesmo tempo continuar a reduzir os custos, melhorar a eficiência e reduzir o fator de forma para uma maior densidade de energia.

Para resolver muitos desses problemas, os projetistas podem substituir os comutadores de energia de silício (Si) por dispositivos baseados em tecnologias de ampla banda proibida (WBG) como o nitreto de gálio (GaN). Fazer isso se traduz diretamente na melhoria da eficiência da fonte de alimentação e na redução da necessidade de dissipação térmica, permitindo uma maior densidade de energia. Entretanto, em comparação com o Si, os comutadores de GaN são mais difíceis de acionar.

Os projetistas podem superar os problemas associados com a velocidade de comutação rápida, tais como indutância e capacitância indesejadas e oscilações de alta frequência, mas isso leva tempo e custo adicionais de desenvolvimento. Em vez disso, os projetistas podem recorrer a CIs comutadores de flyback off-line altamente integrados com dispositivos internos de potência em GaN.

Este artigo discute brevemente as vantagens do GaN e seus desafios de projeto. Em seguida, apresenta três plataformas integradas de CI comutador flyback off-line com comutadores de potência em GaN internos da Power Integrations e mostra como eles podem ser usados para produzir projetos de conversores de energia de alta eficiência. Os CIs MinE-CAP complementares de miniaturização dos capacitores de filtro e de gerenciamento de partida são discutidos, bem como um ambiente de projeto on-line útil.

O que é GaN e o que há de tão bom nisso?

GaN é um material semicondutor WBG que quando comparado ao Si tem baixa resistência "on", alta resistência à ruptura, rápida velocidade de chaveamento e alta condutividade térmica. O uso do GaN no lugar do Si permite a fabricação de comutadores que têm perdas de chaveamento muito menores durante a saturação e o corte. Além disso, os dispositivos de GaN com equivalente em resistência são muito menores do que seus equivalentes em Si. Como resultado, para um determinado tamanho de matriz, um comutador de GaN tem menores perdas combinadas de condução e de chaveamento (Figura 1).

Gráfico dos dispositivos de GaN que tem menor resistênciaFigura 1: Para um determinado tamanho de matriz, os dispositivos de GaN têm menor resistência, levando a perdas totais menores, em comparação com os MOSFETs de Si. (Fonte da imagem: Power Integrations)

Embora o GaN tenha vantagens claras, o projeto pode ser um desafio. Por exemplo, devido às velocidades de chaveamento extremamente rápidas dos dispositivos de GaN, os layouts dos circuitos de acionamento podem ser muito sensíveis a indutâncias e capacitâncias indesejadas da placa de circuito impresso e dos invólucros discretos de GaN. As variações rápidas de tensão (dv/dt) e as oscilações de alta frequência, que podem ocorrer ao acionar dispositivos de GaN, criam mais interferência eletromagnética (EMI) que precisa ser filtrada para evitar uma redução na eficiência do conversor. Além disso, o chaveamento rápido dos dispositivos de GaN torna difícil protegê-los contra condições de falha, pois podem danificar os dispositivos tão rápido que os circuitos de proteção podem não reagir.

Simplicidade sem sacrificar o desempenho

A Power Integrations abordara estas complexidades com seus CIs comutadores PowiGaN quase ressonante (QR) InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP e InnoSwitch3-Pro (Figura 2). PowiGaN é a tecnologia de comutação de energia em GaN desenvolvida internamente pela Power Integrations que substitui os transístores de silício tradicionais no lado primário dos CIs comutadores de flyback off-line InnoSwitch3. Em vez disso, integra circuitos de realimentação, primário e secundário em um único dispositivo de montagem em superfície (SMD), invólucro InSOP-24D. Ao fazer isso, os dispositivos reduzem a complexidade do layout do acionador e a geração de EMI, ao mesmo tempo em que reduzem as perdas de condução e chaveamento, permitindo adaptadores e carregadores mais eficientes, mais leves e menores, e fontes de alimentação de estrutura aberta.

O uso desta abordagem permite que os projetistas de fonte de alimentação se concentrem no fornecimento de energia, desempenho térmico, fatores de forma e outras considerações de aplicação sem serem distraídos pela desafiadora tecnologia de GaN.

Imagem dos CIs comutadores de flyback off-line InnoSwitch3 com comutadores de GaN da Power IntegrationsFigura 2: os CIs comutadores de flyback off-line InnoSwitch3 com comutadores de GaN são entregues no invólucro InSOP-24D com economia de espaço. (Fonte da imagem: Power Integrations)

As três famílias InnoSwitch3 com tecnologia PowiGaN são otimizadas para classes específicas de aplicações:

  • O InnoSwitch3-CP é para aplicações como carga de bateria que podem se beneficiar de um perfil de potência constante.
  • O InnoSwitch3-EP é para fontes de alimentação CA-CC de estrutura aberta em uma gama de aplicações industriais e de consumo.
  • Os dispositivos InnoSwitch3-Pro incluem uma interface digital I²C para controle de software dos pontos de ajuste de tensão constante (CV) e corrente constante (CC), opções do modo de segurança e controle de exceções.

Os CIs InnoSwitch3 apresentam controle quase-ressonante, até 95% de eficiência em toda a faixa de carga, suportam pontos de ajuste precisos de CV e CC, e saídas de potência constante (CP) para atender a uma variedade de demandas de aplicação e incluem tecnologia sem perdas da detecção de corrente. Este último elimina a necessidade de resistores externos de detecção de corrente que reduzem a eficiência, e que podem até mesmo exceder a resistência de muitos comutadores de GaN em projetos discretos.

Outras características importantes dos comutadores incluem detecção no lado secundário, um amplificador dedicado para uma retificação síncrona MOSFET, conexão integrada de realimentação de acoplamento indutivo FluxLink entre o lado primário e os controladores no lado secundário com isolação de corrente alternada (VCA) > 4.000 volts, conformidade com os requisitos globais de eficiência energética, baixa EMI, segurança e conformidade regulamentar (UL1577 e TUV (EN60950 e EN62368) com aprovação de segurança), e resposta transitória instantânea para etapas de carga 100%.

CIs comutadores de flyback off-line QR CV/CC, controláveis digitalmente

Os projetistas de carregadores de bateria multi-químicos e multi-protocolo, reatores de LED com pontos CV e CC ajustáveis, fontes de alimentação programáveis (PPS) de USB PD 3.0+ de alta eficiência, adaptadores QC e aplicações similares podem se beneficiar do uso dos CIs InnoSwitch3-Pro totalmente programáveis, incluindo os CIs INN3378C, INN3379C e INN3370C que podem ser usados em adaptadores CA-CC que fornecem até 90 watts, e fontes de alimentação CA-CC de estrutura aberta de até 100 watts (Tabela 1). Estes dispositivos também são úteis quando for necessário um controle fino da corrente de saída e ajuste de tensão (são aceitos passos de 10 milivolts (mV) e 50 miliampères (mA)).

Tabela dos CIs InnoSwitch3-ProTabela 1: Os CIs InnoSwitch3-Pro são dimensionados para funcionar com 230 VCA ±15 % de entrada e 85 a 265 VCA de entrada. (Fonte da tabela: Power Integrations)

A interface I²C nos dispositivos InnoSwitch3-Pro simplifica o desenvolvimento e a produção de fontes de alimentação totalmente programáveis (Figura 3). Ela permite o controle dinâmico da corrente e tensão de saída. Ela pode ser usada para configurar a fonte de alimentação, controlar os pontos de ajuste CV, CC e CP, configurações de proteção como limiares de sobretensão e de subtensão, além de lidar com relatórios de falhas. A tensão integrada de 3,6 volts pode ser usada para alimentar um microcontrolador externo (MCU). Além disso, o consumo de energia sem carga <30 milliwatt (mW) (incluindo a linha de detecção e MCU) atende a todos os requisitos globais de eficiência energética.

Diagrama dos CIs InnoSwitch3-Pro da Power Integrations que incluem uma interface I²CFigura 3: os CIs InnoSwitch3-Pro incluem uma interface I²C para controle e monitoramento digital completo, além de uma fonte integrada de 3,6 volts (uVCC) para alimentar um MCU externo. (Fonte da imagem: Power Integrations)

Soluções configuráveis por hardware

Para aplicações que não requerem programabilidade ou monitoramento digital, a Power Integrations oferece as famílias InnoSwitch3-CP (Figura 4) e -EP de soluções configuráveis de hardware. Assim como o InnoSwitch3-Pro, os dispositivos InnoSwitch3-CP e InnoSwitch-EP incluem controladores primários e secundários e isolação reforçada dimensionada para >4000 VCA em um único CI. Os recursos incluem proteção contra sobretensão de saída e limitação de sobrecorrente, proteção contra sobretensão e subtensão na rede CA e desligamento por temperatura excessiva. Os dispositivos apresentam alta imunidade a ruídos, possibilitando projetos que atendem aos níveis de desempenho da classe "A" EN61000-4.

Diagrama do InnoSwitch3-CP da Power Integrations em uma aplicação típica com a conexão de realimentação do acoplamento indutivo FluxLinkFigura 4: é mostrado o InnoSwitch3-CP em uma aplicação típica com a conexão de realimentação do acoplamento indutivo FluxLink (linha tracejada) entre os controladores no lado primário e secundário. (Fonte da imagem: Power Integrations)

Os projetistas de conversores flyback de alta eficiência de até 100 watts, para aplicações como USB PD, adaptadores QC e aplicações similares, podem se beneficiar do uso de dispositivos InnoSwitch3-CP como o INN3278C, INN3279C e INN3270C (Tabela 2). Estes CIs comutadores QR apresentam modos de pontos CV e CC com perfis de potência constantes, e aceitam combinações padrões de bloqueio e reinicialização automática. A compensação da queda de tensão no cabo é um recurso opcional.

Tabela de classificações de potência da família InnoSwitch3-CP para projetos de adaptador e estrutura abertaTabela 2: Classificações de potência da família InnoSwitch3-CP para projetos de adaptador e estrutura aberta. (Fonte da tabela: Power Integrations)

Para aplicações como medidores de energia, fontes de alimentação industriais e de rede inteligente, alimentação de polarização e de modo em espera para produtos de linha branca, produtos de consumo e computadores que não utilizam operação constante de energia, os projetistas podem selecionar os dispositivos InnoSwitch3-EP como o INN3678C, INN3679C e INN3670C (Tabela 3).

Tabela de CIs InnoSwitch3-EP que são dimensionados para potência total a 230 VCA ±15 %Tabela 3: os CIs InnoSwitch3-EP são dimensionados para potência total a 230 VCA ±15 % e potência reduzida com uma ampla faixa de entrada de 85 a 265 VCA. (Fonte da tabela: Power Integrations)

Os dispositivos InnoSwitch3-EP aceitam uma boa regulagem cruzada de várias saídas. A detecção da corrente de saída é ajustável com um resistor externo, enquanto o desempenho dos pontos CV/CC é muito preciso e independente de qualquer componente externo. Estes CIs comutadores QR estão disponíveis com proteção opcional contra subtensão na reinicialização automática e podem ser encomendados com opções de fornecimento de potencia padrão ou de pico.

Miniaturização dos capacitores de filtro e gerenciamento de partida

Para reduzir ainda mais a quantidade de componentes e melhorar o desempenho das fontes de alimentação CA-CC, os projetistas que utilizam um CI InnoSwitch3 PowiGaN também podem utilizar o CI complementar MinE-CAP de miniaturização dos capacitores de filtro e de gerenciamento de partida para projetos de altíssima densidade de energia (Figura 5). O MinE-CAP pode reduzir o volume dos capacitores de filtro da entrada em até 50%, e elimina a necessidade de um termistor de coeficiente negativo de temperatura na limitação da corrente de partida (NTC). O uso do MinE-CAP também reduz as fadigas no retificador de ponte da entrada e no fusível, resultando em maior confiabilidade da fonte de alimentação.

Diagrama do CI capacitor MinE-CAP da Power Integrations (clique para ampliar)Figura 5: O CI MinE-CAP de miniaturização dos capacitores de filtro e de gerenciamento de partida é um complemento natural do CI comutador para flyback off-line InnoSwitch3 em fontes de alimentação CA-CC de alta densidade. (Fonte da imagem: Power Integrations)

Como os CIs InnoSwitch3, o MinE-CAP alavanca o tamanho pequeno e a baixa resistência dos dispositivos PowiGaN para proporcionar maior desempenho do sistema. O MinE-CAP conecta e desconecta automaticamente segmentos da rede de capacitores de filtro, dependendo das condições de tensão na rede CA. Isto permite aos projetistas usar o menor capacitor de filtro (CHV na Figura 5) para operação de alta tensão na rede CA, enquanto coloca a maior parte do armazenamento de energia em capacitores de menor tensão (CLV) para uso em condições de rede mais baixa. Como os capacitores de menor tensão são significativamente menores que os de alta tensão, o uso do MinE-CAP reduz o tamanho total dos capacitores de filtro da entrada sem redução da eficiência, sem aumento da ondulação de saída e sem necessidade de um novo projeto de transformador de potência.

O uso do MinE-CAP reduz o tamanho das fontes de alimentação com a mesma eficácia que aumenta a frequência de chaveamento para diminuir o tamanho do transformador. As soluções MinE-CAP utilizam menos componentes e eliminam os desafios de projeto de alta frequência, tais como maior dissipação do transformador/grampeador e maior EMI.

Ferramentas de projeto on-line

A Power Integrations também oferece o PI Expert para acelerar o projeto de fontes de alimentação CA-CC de flyback off-line usando a linha InnoSwitch3 de CIs comutadores integrados de flyback off-line PowiGaN. Construído em torno de uma interface gráfica de usuário (GUI) automatizada, PI Expert usa especificações de fonte de alimentação para gerar automaticamente uma solução de conversão de energia. Ele fornece aos projetistas todos os detalhes necessários para construir e testar um protótipo de conversor de energia. Usando PI Expert, os projetistas podem realizar um projeto completo em minutos.

Projetar com CIs InnoSwitch3 baseados em PowiGaN é o mesmo que usar dispositivos InnoSwitch3 baseados em Si. O PI Expert trabalha da mesma forma ao otimizar a frequência de chaveamento, filtragem EMI, projeto de transformadores, polarização e retificação síncrona para dispositivos de PowiGaN e de Si. A ferramenta implementa automaticamente quaisquer mudanças necessárias para acomodar a potência maior dos projetos baseados em PowiGaN. A ferramenta produz um esquema de circuito interativo, lista de materiais (BOM) completa, parâmetros elétricos detalhados e recomendações para o layout da placa de circuito impresso. Os resultados também incluem um projeto magnético completo com tamanho do núcleo, espessura do fio, número de fios paralelos, número de voltas em cada enrolamento e as instruções de enrolamento para montagem mecânica.

Conclusão

Os projetistas precisam aumentar a densidade de energia, diminuir o custo e reduzir o tempo de desenvolvimento das fontes de alimentação off-line de 100 watts para aplicações que vão desde carregadores e adaptadores CA-CC até sistemas industriais. O uso da tecnologia GaN WGB pode ajudar, mas o projeto com GaN requer atenção cuidadosa ao layout da placa e outras questões associadas ao chaveamento de alta velocidade.

Conforme mostrado, uma abordagem mais integrada com base nos CIs comutadores QR de flyback do InnoSwitch3 permite aos projetistas desenvolver conversores de energia elegantes e de alta eficiência que proporcionam os benefícios de desempenho dos comutadores de GaN, enquanto reduzem os riscos normalmente associados à adoção de uma nova tecnologia.

Usando o InnoSwitch3, combinado com o CI MinE-CAP da Power Integrations de miniaturização dos capacitores de filtro e gerenciamento da corrente de partida, bem como as ferramentas de projeto on-line PI Expert da empresa, os projetistas podem implementar mais rapidamente fontes de alimentação compactas, robustas e econômicas com baixa quantidade de componentes que atendam aos padrões globais de eficiência.

Leitura recomendada

  1. Construir um comutador CA/CC é fácil com o PI Expert

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About this author

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

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