功率ICS启用高效高功率密度140W PD3.1适配器设计

　　对降低电源的需求不断增长，这不断挑战该行业，以产生越来越高的效率和电力密度。由于硅设备达到其频率极限（<100 kHz），改善基于硅电源的性能的能力已减慢，这阻止了电路拓扑和磁性设计的进一步优化。新兴的GAN宽带设备已使QG门充电15倍，QOSS输出电荷降低16倍和更高的开关速度，从而实现了显着的增量效率和尺寸提高。 Gansense Power IC使这些设备能够终退出实验室，并通过集成可靠和强大设计所需的所有缺少成分来输入现实世界中的快速充电器和适配器。其中包括集成的栅极驱动，调节的栅极电压，无损耗的电流感应以及甘塞斯功率ICS和甘森斯半桥IC的保护特征（图1）。这些产品可实现新的电路拓扑，该行业正在利用它们以更小，更高效的设计来进步。

　　图1。GansensePower  IC和Gansense Half-Bridge IC简化的框图和关键特征。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供
　　Gansense提高PFC频率和效率

　　功率因数校正（PFC）是超过75 W的输出功率所必需的。由于其简单性，低谐波电流和低成本，传统的增强PFC转换器已主导。许多现成的PFC控制器提供多模式CRM或DCM操作，以提高系统效率和线路谐波。 Gansense功率IC通过增加开关频率来降低电感器的大小并提高效率以减少损失和热量（图2）来改善此拓扑（图2）。与硅FET相比，由于较低的输出电荷和栅极电荷，集成的GAN FET可以轻松增加频率。为了提高效率，Gansense Power IC集成了一种无损耗的电流传感方法，该方法消除了外部RCS电流感应电阻及其相关的热点和足迹。

　　图2。 基于SI的Boost PFC（左）与无损失的Gansense Boost PFC（右）。图像由Bodo的Power Systems提供

　　可以添加Boost-Allostroter功能以进一步提高效率，以便在低线交流输入期间，直流总线以较低的电压运行。这给出了较低的峰值水平，较低的负电流和循环能量以及较低的损失（图3）。所有这些改进共同提供了额外的 +0.3％的效率益处。

　　图3。 在满载和不同的DC-BUS电压水平，90 VAC/400 V（左）和90 VAC/260 V（右）时，在AC半周期内的峰值峰值电流升高。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供
　　gansense启用AHB和AHB启用PD 3.1

　　准响起的反式反式飞回剂是下游转换器的流行拓扑，由于其宽的电压增益能力。但是，随着功率水平的增加以上，变压器泄漏能量显着增加。随着泄漏能量的增加，主开关和次级SR开关的电压应力也增加，包括更高的电压尖峰和EMI噪声。此外，USB电源传递规范修订版3.1使得更高的输出电压级别，例如28 V至48 V，这使得Flyback Transformer转动比率更难设计。初级和次级的电压应力远高于传统的20 V输出条件。不对称的半桥反射转换器可使用次级整流器的主要侧开关的零压开关（ZV）和零电流开关（ZCS）运行。此外，主开关通常在PFC输出电压下夹住，通常在400 V左右，因此应力和电压振铃问题明显缓解。由于这些原因，AHB拓扑是PD 3.1应用的选择，而Gansense Half-bridge ICS可以实现针对小型变压器尺寸的高频操作，而无损耗的电流感应可提高效率（图4）。

　　图4。 基于SI的QR Flyback（左）与无损失的Gansense AHB反击（右）。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供
　　140 W，PD 3.1评估板

　　完整的PFC+AHB 140 W，PD 3.1评估板（EVB）（图5）已建立并测试了功能和性能。该设计实现了令人印象深刻的100 cc估计的外壳尺寸，其功率密度为1.4 w/cc。 EVB包括优化的PFC，AHB和SR功率阶段以及磁性，并使用现成的控制器。 PFC和AHB动力列车围绕NV6138A甘塞斯电力IC和NV6245C Gansense Half-Bridge IC设计。 EVB还包括EMI滤波，并通过进行和辐射的排放。

　　图5。140W  ，PD 3.1评估板，效率= 94.5％，估计的外壳尺寸= 100 cc。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供

　　全载增强PFC波形如图6所示。在115个VAC线输入期间，增强电路以零电压开关（ZVS）条件运行，在每个开关周期中，在GAN POWER上旋转到GAN POWER FET之前，增强切换的节点电压（VSW）将其驱动到零。在230 VAC线输入期间，增强电路在部分ZVS条件下运行，其中VSW降低至大约100 V，然后从那里降至零。控制器会自动检测到禁止时间的VSW节点的山谷，以便再次打开每个切换周期，以优化电压水平的转交点，以地减少硬转换损耗。由于GAN功率IC具有非常低的输出电容，因此每个循环的排水电压将迅速降至山谷。控制器必须具有快速的山谷检测，以确保在VSW电压向后响起之前的点发生转机。还可以看到，在低线条件下，在300 VDC下以300 VDC的降低，在高线条件下以400 VDC的速度下降。

　　图6。 在全载荷条件下提升PFC开关波形，115 VAC输入（左），230 VAC输入（右），IL =蓝色（1 A/DIV），VDS =黄色（100 V/DIV）。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供

　　AHB半桥开关节点（VSW）和储罐电流（IL）波形在115 VAC输入和完整的负载条件中显示在图7中。谐振储罐电流在每个半桥时都在较低的半桥时线性升高，然后在每个半桥高侧时在每次半桥时产生共鸣。这导致在每个开关周期内，在甘塞斯半桥IC IC VSW输出节点上进行干净，平滑的ZVS操作。 AHB工作频率范围为125至300 kHz，具体取决于输入线和输出负载条件。

　　图7。 在115 VAC输入和满载条件下，AHB切换波形，IL =蓝色（2 A/p），VSW =黄色（100 v/p）。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供
　　效率曲线（图8）显示4点和负载效率。该设计在90 VAC输入下达到了惊人的94.5％的全负载效率，比的产品至少高1％，代表节省20％的能源。 90 VAC和满载的效率是确定终适配器产品的外壳尺寸和结果触摸温度的效率。

　　图8。4 点效率（左）和负载效率（右）曲线。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供

　　，进行和辐射的EMI始终是电源设计的主要关注点。由于更快的开关速度和频率，带有GAN的新设计对EMI的挑战持续质疑。设计师通常不会在设计接近完成阶段之前无法应对其设计部分，只是为了感到惊讶，并得知排放量远远超过了允许的限制。对该设计的EMI扫描（图9）表明，进行的EMI和辐射的EMI都远低于限制，并有足够的余量用于制造公差。可以通过在设计阶段尽早实施适当的EMI指南，并包括PCB接地平面，电感器屏蔽，正确设计的EMI滤波器组件，正确的PCB地板计划以及组件位置以及接近度等良好实践来实现这些结果。

　　图9。 在115 VAC/140 W（左）进行排放，并在230 VAC/140 W（右）进行辐射。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供
　　高密度设计摘要
　　随着行业进行更高密度的设计，Gansense Power IC和Gansense Half-Bridge ICS导致了更高的频率，改善了现有的拓扑，解锁了未来的拓扑，并终提高了较高的效率。还需要下一代，高频控制器，以及新的磁性材料，以实现完整的高速生态系统，从而实现较低的温度和较小的尺寸。改善现有的PFC电路或使用新电路（例如AHB）只是可能的小例子。随着GAN继续改善并解锁现有和新拓扑，更多的创新在拐角处。