מעגלים משולבים של גליום ניטריד משפרים את נצילות ספק-הכוח

בעולם האלקטרוניקה של ימינו, נדרשים ממירי הספק עבור כל דבר, החל מהתקנים רפואיים, מטענים לטלפונים סלולריים ומחשבים ניידים, ועד ספקי כוח עזר. כיווץ גודלי המארזים, ניהול חום, מתחי כניסה משתנים ופרוטוקולי טעינה חכמים - כל אלה מסבכים את תכנון ספקי הכוח והממירים, בעוד שהדגש על נצילות גובר.

במהלך העשור האחרון צצו טכנולוגיות מיתוג חדשות המשתמשות במעגלים משולבים (ICs‏) על שבבי גליום ניטריד (GaN). מעגלי GaN מתנהגים בצורה שונה ברמה האטומית, מה שמציג אתגרים ופתרונות כאחד עבור מתכנני ממירי הספק.

למוליכים-למחצה GaN יש פער-אנרגיה (Bandgap‏) רחב; eV‏ 3.4‏, שהוא גדול פי שלושה מזה של מוליכים-למחצה מסיליקון. כמו חומרים אחרים בעלי פער-אנרגיה רחב, מוליכים-למחצה מסוג GaN מסוגלים לפעול במתחים גבוהים יותר, בטמפרטורות של עד C‏°‏400‏+ המאפשרות שימוש בהם ביישומים בעלי הספק גבוה יותר, ובתדרים גבוהים יותר ההופכים אותם לשימושיים ביישומי תדרי רדיו (RF) ו-5G.

ביישומי ממירי הספק, מעגלים משולבים של GaN ממטבים הפסדים הקשורים לטרנזיסטור כמו אימפדנס טורי (_(DS(ON‏R‏) וקיבוליות מקבילית (_OSS‏C‏) בגדלים פיזיים קטנים יותר מאשר ICs‏ מסיליקון. באותה חתימת-שטח של IC‏ מסיליקון, ICs‏ GaN‏ יכולים לטפל בתדרים גבוהים יותר תוך יצירת פחות חום, תכונה המאפשרת למתכננים להקטין או אפילו לבטל צלעות-קירור מגושמות.

עם זאת, טרנזיסטורי GaN יכולים להיות מורכבים לבקרה. הטולרנס שלהם לתדרים גבוהים פירושו שהדוחף המבקר אותם חייב להיות קרוב פיזית לטרנזיסטור כדי להסיר שיהוי (Latency‏) ולהקטין למעשה את מהירות המיתוג של הטרנזיסטור, תוך הימנעות מהפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) לא-רצויות. מתכנני ממירי הספק המשתמשים ב-GaN מתגברים על אתגרים אלה על ידי שימוש בהתקן יחיד המשלב מתגי הספק במתח גבוה עבור הצד הראשוני (כניסה) ו-ICs‏ בקרה עבור הצד השניוני (יציאה), יחד עם מעגלי משוב.

פרטי המיתוג

חברת Power Integrations‏ יצרה מספר משפחות של מארזים אלו המשתמשים ב-InnoSwitch3‏ שלה עם טכנולוגיית ™PowiGaN‏. לדוגמה, משפחת ה-ICs‏ של ממתגים (Switcher‏) InnoSwitch3-CP‏ (איור 1) משתמשת בבקרי Flyback‏ קוואזי-רזוננטיים (QR) כדי לספק יציאות מתח קבוע (CV‏)/זרם קבוע (CC) עבור פרופיל הספק קבוע (CP).

הצדדים הראשוניים והשניוניים של המעגל המשולב מבודדים גלוונית, אך מידע על מתח וזרם היציאה מועבר מבקר השניוני לבקר הראשוני באמצעות צימוד אינדוקטיבי. טכנולוגיית התקשורת FluxLink מספקת במהירות מידע מדויק כדי לאפשר תגובות מהירות לעומסים טרנזיינטיים ותדרי מיתוג של עד 70 קילו-הרץ.

איור 1: משפחת ה-ICs‏ של ממתגים (Switcher‏) InnoSwitch3-CP‏ היא בעלת בקרי ראשוני ושניוני המבודדים גלוונית אך חולקים את אותו המשוב באמצעות קישור מגנטי (קו מקווקו). (מקור התמונה: Power Innovations‏)

ה-ICs של משפחת InnoSwitch3-CP יכולים לטפל ב-W‏ 50‏ עד W‏ 100‏ ללא צורך בצלעות-קירור, תוך הפחתת הנפח הכולל של ספק-הכוח. רכיבים אלה מדורגים עבור פעולה רצופה במתח של 650 וולט, אך מסוגלים לעמוד בפני נחשולי מתח של עד 750 וולט. דגמים תעשייתיים מתוכננים לעמוד במתח של 900 וולט או 1,700 וולט.

ספקי-כוח המשתמשים ב-ICs‏ ממשפחת InnoSwitch3-CP מציגים נצילות של 94% על פני תחום העומס המותר, בהשוואה לכ-90% עבור מתגים מבוססי-סיליקון. נצילות גבוהה זו, יחד עם צריכת ההספק המינימלית שלהם (פחות מ-30 מילי-וואט), מסייעת למשפחת InnoSwitch3-CP לעמוד בתקנות נצילות אנרגיה עולמיות.

כדי להבטיח בטיחות וחיי רכיבים ארוכים, משפחת המעגלים המשולבים InnoSwitch3-CP כוללת בידוד גלווני מחוזק של _AC‏V‏ 4,000‏ לפי תקן 1577‏ של Underwriters Laboratories‏ (UL‏) בין הצד הראשוני לצד השניוני, וכל יחידה נבדקה ל-HIPOT‏. מאפייני בטיחות נוספים כוללים גילוי ותגובה לשער פתוח בטרנזיסטור אפקט שדה מיישר סינכרוני (SR FET), תת-מתח או מתח-יתר בקו הכניסה, ומתח-יתר ביציאה. בקר ה-IC יכול גם להגביל את זרם היתר ולכבות לפני התחממות-יתר.

ה-ICs במשפחת InnoSwitch3-EP‏ (איור 2) דומים לאלה שבמשפחת InnoSwitch3-CP. במקום להיות אופטימליים עבור יציאת הספק קבועה אחת, הם משתמשים בייצוב משוקלל של הצד השניוני (SSR) כדי ליצור ממוצע של המתחים של מספר יציאות לאות בקרה.

איור 2: למשפחת ה-ICs‏ של ממתגים (Switcher‏) InnoSwitch3-EP יש תחום הספק יציאה התלוי במתח הכניסה. סכמטית דומים ל-ICs‏ InnoSwitch3-CP, יש להם נגד חישת זרם אופציונלי בצד השניוני. (מקור התמונה: Power Innovations)

למשפחת ה-ICs‏ InnoSwitch3-EP‏ יש גם יציאה תלויית-מתח. ב-V‏ 750‏, ה-ICs‏ InnoSwitch3-EP‏ יוציאו W‏ 50‏ עד W‏ 100‏, וב-V‏ 1,250‏ הם יוציאו עד W‏ 85‏. מתוכננים עבור פעולת מיתוג במתח-גבוה, מתח הפריצה שלהם הוא V‏ 1,700‏.

בצד השניוני, נגד חישת זרם הוא אופציונלי עבור משפחת InnoSwitch3-EP. כאשר יכולת חישה זו מופעלת, ניתן להגדיר את היחידות עבור אתחול-אוטומטי לאחר שזרם העומס גבוה יותר מסף מוגדר למשך פרק זמן מוגדר-מראש.

ה-ICs‏ InnoSwitch3-CP‏ נבחרים לעיתים קרובות עבור ממירי הספק כמו אלו הבנויים עבור פרוטוקולי USB Power Delivery‏ (PD‏), QuickCharge‏ {QC‏) או פרוטוקולים קנייניים אחרים. עם יכולות המתח הגבוהות והגמישות שלהם, ה-ICs‏ InnoSwitch3-EP הם בחירה טובה עבור ספקי כוח בסביבות תעשייתיות, עבור מדי צריכה ורשתות חשמל חכמות. הם משמשים גם בספקי כוח עזר, אופןהמתנה וממתח של מכשירי חשמל.

הספק ניתן-לתכנות

ניהול דינמי יותר של כניסות, יציאות ותקלות זמין עם ה-ICs‏ InnoSwitch3-Pro‏ (איור 3) באמצעות ממשק דיגיטלי Inter-Integrated Circuit‏ (C‏^2‏I‏). המשתמשים יכולים גם להגדיר את תדר המיתוג בעומס-מלא לערך מותאם-במיוחד בין 25 קילו-הרץ ל-95 קילו-הרץ, תוך בחירת ערך נמוך יותר כדי למזער הצטברות חום בשנאים גדולים או תדרים גבוהים יותר עבור שנאים קטנים.

איור 3: משפחת ICs‏ של ממתגים (Switcher‏) InnoSwitch3-Pro המוגדרת לבקרה דיגיטלית באמצעות ממשק C‏^2‏I‏ ומאפשרת ניטור סטטוס מרחוק, כוונון מתח וזרם ותדר מיתוג מותאמים-במיוחד. (מקור התמונה: Power Innovations)

הוספת מיקרו-בקר בחוג מעניקה ל-ICs של משפחת InnoSwitch3-Pro אפשרויות הגנה נוספות. המשתמשים יכולים להגדיר באופן בלתי-תלוי את התגובות הרצויות לתקלות מתח-יתר ותת-מתח ביציאה. הם יכולים גם לנטר את מתח הכניסה ולהבטיח הגנה מפני מצבי עליית-מתח/נפילת-מתח ומתח-יתר. המיקרו-בקר מגלה גם שערי SR FET‏ פתוחים ומנהל כיבוי תרמי עם היסטרזיס כדי להגן טוב יותר על ה-IC‏.

התכן הניתן-להגדרה של ה-ICs‏ InnoSwitch3-Pro, פיזור החום הנמוך שלהם והנצילות הגבוהה שלהם הופכים אותם לאידיאליים לשימוש במתאמי טעינה העומדים בפרוטוקולים כגון USB PD 3.0, QC, טעינה מהירה אדפטיבית (AFC), פרוטוקול טעינה מהירה (FCP‏) ופרוטוקול סופר-טעינה (SCP‏). המתכננים בוחרים בהם גם עבור מטעני סוללות ומשנקי נורות LED מתכווננות שבהם נדרשים תכנים קומפקטיים עם הצטברות חום מינימלית.

קבלים קומפקטיים

ה-ICs‏ מיתוג כמו אלה של סדרת InnoSwitch3 הם רק חלק קטן מהארכיטקטורה של ממירי הספק וספקי כוח. לדוגמה, קבל Bulk‏, שהוא רכיב אגירת אנרגיה המחליק תנודות במתח AC הנכנס לספק כוח, יכול לתפוס 25% מהמקום בספק כוח זה.

באמצעות טכנולוגיית מיתוג IC‏ PowiGaN‏, Power Integrations פיתחה את MinE-CAP‏, מתג ובקר IC העובד עם שני קבלים קטנים יותר כדי לספק את הקיבוליות המתאימה עבור מתח הספקה נתון (איור 4). קבל קרמי או אלקטרוליטי היכול להתמודד עם עד V‏ 400‏ עם ערכים של µF‏ 1‏ עד µF‏ 5‏ הוא אקטיבי תמיד. MinE-CAP מפעיל קבל אלקטרוליטי נוסף המדורג ל-160 וולט אך עם קיבוליות גבוהה יותר כאשר מתגלה מתח נמוך יותר.

בנוסף להפחתת המקום הנדרש בעד 40% על ידי פיצול קבל Bulk‏ לשני חצאים קטנים יותר, MinE-CAP גם מבטל את הצורך בתרמיסטור NTC (מקדם טמפרטורה שלילי) עבור זרם התנעה. הקבלים המבוקרים על ידי MinE-CAP מותאמים במקום זאת לטפל בזרם התנעה כאשר ספק הכוח מופעל.

איור 4: MinE-CAP הוא בקר IC מבוסס-GaN המאפשר לפצל את קבל Bulk‏ של ספק-הכוח לשתי יחידות קטנות יותר, ובכך להפחית את הנפח הנדרש בעד 40%. MinE-CAP מתוכנן לעבוד עם מוצרי המרת InnoSwitch3 DC/DC. (מקור התמונה: Power Innovations)

סיכום

מעגלים משולבים (ICs) למיתוג המשלבים טרנזיסטורים, ICs‏ בקרה ומעגלי משוב משתמשים במוליכים-למחצה GaN ומנצלים את עמידות החומר לטמפרטורות, מתחים ותדרים גבוהים. ICs‏ אלה מאפשרים לוחות מעגלים מודפסים קטנים יותר, ביטול צלעות-קירור ומיקום יצירתי של הקבלים, המאפשרים לספקי-כוח רבי-פונקציות להתאים בתוך מארזים קומפקטיים יותר. מוצרי GaN כמו InnoSwitch3 של Power Integration עם קווי PowiGaN ימשיכו ככל הנראה לעניין מתכננים הרודפים אחר צפיפות הספק גדולה יותר ומזעור נוסף.