כיצד להשתמש במתגי GaN משולבים עבור ספקי-כוח מרשת-החשמל עם נצילות גבוהה ויחס עלות-תועלת מיטבי

מגוון היישומים של ספקי כוח קומפקטיים של 100 וואט ממשיך לגדול, החל ממטעני AC-DC ומתאמים, מטעני USB Power Delivery‏ (PD‏) ומתאמי טעינה מהירה (QC) ועד לתאורת LED, מוצרים לבנים, דוחפי מנוע, מונים חכמים ומערכות תעשייתיות. עבור המתכננים של ספקי-כוח Flyback‏ מרשת-החשמל אלו, האתגר הוא להבטיח חוסן ואמינות, ובמקביל להמשיך ולהוזיל עלויות, לשפר את הנצילות ולהקטין את גורם הצורה לטובת צפיפות הספק גבוהה יותר.

כדי להתמודד עם רבות מבעיות אלו, המתכננים יכולים להחליף מתגי הספק מסיליקון (Si) עם התקנים המבוססים על טכנולוגיות פער-אנרגיה (Bandgap‏) רחב (WBG) כגון גליום ניטריד (GaN). החלפה זו מתורגמת ישירות לשיפור נצילות הספקת-הכוח ולהפחתת הצורך בצלעות-קירור, תוך אפשור צפיפות הספק גבוהה יותר. עם זאת, בהשוואה ל- Si, קשה יותר לדחוף מתגי GaN.

המתכננים יכולים להתגבר על הבעיות הקשורות במהירויות מיתוג גבוהות, כגון השראות וקיבוליות תועות ותנודות בתדר גבוה, אך פעולה זו דורשת זמן פיתוח ועלות נוספים. במקום זאת, המתכננים יכולים לפנות למעגלים-משולבים (IC‏) של ממתג (Switcher‏) Flyback‏ משולב ביותר מרשת-החשמל עם התקני הספק GaN‏ פנימיים.

מאמר זה דן בקצרה ביתרונות של GaN ובאתגרי התכנון שלו. לאחר מכן הוא מציג שלוש פלטפורמות של מעגלים-משולבים (IC‏) של ממתג (Switcher‏) Flyback‏ משולב מרשת-החשמל עם מתגי הספק GaN‏ מבית Power Integrations‏, ומראה כיצד הן יכולות לשמש ליצירת תכני ממירי הספק עם נצילות גבוהה. כמו כן המאמר דן גם במזעור קבלי Bulk‏ MinE-CAP‏ ובמעגלים-משולבים (IC‏) לניהול זרמי התנעה, כמו גם בסביבת תכנון מקוונת שימושית.

מהו GaN ומה כל כך טוב בו?

GaN הוא חומר מוליך-למחצה עם WBG, אשר בהשוואה ל- Si יש לו התנגדות מצב-מופעל (ON) נמוכה, מתח פריצה גבוה, מהירויות מיתוג גבוהות ומוליכות תרמית גבוהה. השימוש ב- GaN במקום Si מאפשר ייצור מתגים עם הפסדי מיתוג נמוכים בהרבה במהלך ההפעלה והכיבוי. בנוסף, התקני GaN עם התנגדות מצב-מופעל אקוויוולנטית הם קטנים בהרבה ממקביליהם ב- Si. כתוצאה מכך, עבור גודל פיסת-סיליקון נתון, למתג הספק GaN יש סה"כ הפסדי הולכה והפסדי מיתוג נמוכים יותר (איור 1).

איור 1: עבור גודל פיסת-סיליקון נתון, להתקני GaN יש התנגדות מצב-מופעל נמוכה יותר, המובילה לסה"כ הפסדים נמוכים יותר בהשוואה ל- Si MOSFET. (מקור התמונה: Power Integrations)

למרות שלרכיבי GaN יש יתרונות ברורים, הם יכולים להיות מאתגרים לתכנון. לדוגמה, בשל מהירויות המיתוג הגבוהות ביותר של התקני GaN, פרישת מעגלי הדוחפים יכולה להיות רגישה מאוד להשראות וקיבוליות תועות מלוח המעגלים וממארזי GaN‏ בדידים. משרעות המתח המהירות (dv/dt) והתנודות בתדר גבוה שיכולות להתרחש כאשר דוחפים התקני GaN יוצרים יותר הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) אותן צריך לסנן החוצה כדי למנוע את הקטנת נצילות הממיר. כמו כן, המיתוג המהיר של התקני GaN מקשה על הגנתם מפני תנאי תקלה מכיוון שהם עלולים להזיק להתקנים מהר יותר מאשר מעגל ההגנה יכול להגיב.

פשטות מבלי להקריב ביצועים

חברת Power Integrations מתמודדת עם מורכבויות אלו באמצעות המעגלים-המשולבים (IC‏) של ממתג (Switcher‏) PowiGaN‏ InnoSwitch3-CP‏, InnoSwitch3-EP‏ ו- InnoSwitch3-Pro‏ (איור 2‏). PowiGaN היא טכנולוגיית מתגי הספק GaN שפותחה פנימית אצל Power Integrations, ומחליפה את טרנזיסטורי הסיליקון המסורתיים בצד הראשוני של המעגלים-המשולבים (IC‏) של ממתג (Switcher‏) Flyback‏ מרשת-החשמל InnoSwitch3‏. במקום זאת, הוא משלב מעגלים ראשוניים, שניוניים ומשוב בהתקן הרכבה-משטחית (SMD‏) יחיד במארז InSOP-24D‏. בכך ההתקנים מפחיתים את מורכבות פרישת הדוחף ואת יצירת EMI, גם תוך הפחתת הפסדי ההולכה והמיתוג, ומאפשרים מתאמים ומטענים יעילים, קלים וקטנים יותר, וכן ספקי-כוח במסגרת פתוחה.

השימוש בגישה זו מאפשר למתכנני ספקי-כוח להתמקד בהספקת הכוח, בביצועים התרמיים, בגורמי הצורה ובשיקולי יישום אחרים מבלי להסיח את הדעת בשל אתגרי טכנולוגיית GaN‏.

איור 2‏: מעגלים-משולבים (IC‏) של ממתג (Switcher‏) Flyback‏ מרשת-החשמל InnoSwitch3 עם מתגי GaN‏ מסופקים במארז InSOP-24D‏ חוסך-מקום. (מקור התמונה: Power Integrations)

שלוש משפחות InnoSwitch3 עם טכנולוגיית PowiGaN ממוטבות עבור קבוצות יישומים ספציפיות:

• InnoSwitch3-CP מיועד עבור יישומים כגון טעינת סוללות שיכולה ליהנות מפרופיל הספקת-כוח קבוע.
• InnoSwitch3-EP מיועד עבור ספקי כוח AC-DC במסגרת פתוחה במגוון של יישומים לצרכנים ולתעשייה.
• התקני InnoSwitch3-Pro כוללים ממשק דיגיטלי I²C עבור בקרת תוכנה של נקודות מוגדרות של מתח קבוע (CV) וזרם קבוע (CC), אפשרויות אופן בטיחות וטיפול בחריגים.

למעגלים-המשולבים (IC‏) InnoSwitch3 יש בקרה כמו-תהודתית ונצילות של עד 95% על פני מלוא תחום העומסים, והם תומכים ביציאות CV‏, CC והספק קבוע (CP‏) מדויקות כדי לעמוד במגוון של דרישות יישומים, כולל טכנולוגיית חישת-זרם ללא-הפסדים. זה האחרון חוסך את הצורך בנגדי חישת-זרם חיצוניים המקטינים את הנצילות, והחסינות שלהם יכולה לעלות על זו של מתגי GaN רבים בתכנים בדידים.

מאפיינים עיקריים אחרים של המתגים כוללים חישת צד שניוני, דוחף ייעודי עבור MOSFET יישור סינכרוני, חיבור משוב צימוד אינדוקטיבי FluxLink משולב בין הצד הראשוני לבקרי הצד השניוני עם בידוד זרם חילופין (VAC) של > 4,000 וולט, עמידה בדרישות נצילות אנרגיה כלל-עולמיות, EMI נמוך, תאימות בטיחותית ורגולטורית (הרשאות-לבטיחות UL1577 ו- TUV‏ (EN60950 ו- EN62368)) והיענות מיידית לטרנזיינטים בצעדים של 100% עומס.

מעגלים-משולבים (IC‏) של Flyback‏ CV/CC QR מרשת-החשמל מבוקרים דיגיטלית

המתכננים של מטעני סוללות רבי-כימיות ורבי-פרוטוקולים, משנקי LED‏ מתכווננים CV ו- CC‏, ספקי-כוח ניתנים-לתכנות (PPS‏) +USB PD 3.0 עם נצילות גבוהה, מתאמי QC‏ ויישומים דומים יכולים להפיק תועלת מהשימוש במעגלים-משולבים (IC‏) InnoSwitch3-Pro‏ ניתנים-לתכנות במלואם, כולל INN3378C‏, INN3379C‏ ו- INN3370C‏ היכולים לשמש במתאמי AC-DC‏ המספקים עד 90 וואט, ובספקי-כוח AC-DC‏ במסגרת פתוחה עד 100 וואט (טבלה1‏). התקנים אלה הם שימושיים גם כאשר יש צורך בבקרה עדינה של הזרם וכיוונון המתח ביציאה (נתמכים צעדים של 10 מילי-וולט (mV) ו- 50 מילי-אמפר (mA)).

טבלה 1‏: המעגלים-המשולבים (IC‏) InnoSwitch3-Pro‏ מדורגים עבור פעולה עם כניסות של VAC‏ 230‏ %‏15‏± וכניסות של VAC‏ 265‏ ~ 85‏. (מקור הטבלה: Power Integrations)

ממשק I²C בהתקני InnoSwitch3-Pro מפשט את הפיתוח והייצור של ספקי-כוח ניתנים-לתכנות במלואם (איור 4). הוא מאפשר בקרה דינמית של זרם ומתח היציאה. ניתן להשתמש בו כדי להגדיר את הספקת-הכוח, לבקר בנקודות ההגדרה של CV, CC ו- CP, הגדרות הגנה כגון ספי מתח-יתר ותת-מתח וטיפול בדיווח על תקלות. ניתן להשתמש בספק 3.6 וולט המשולב להפעלת מיקרו-בקר חיצוני (MCU). בנוסף, צריכת הספק ללא-עומס <30 מילי-וואט (mW) (כולל קו החישה וה- MCU) עונה על כל דרישות נצילות האנרגיה הכלל-עולמיות.

איור 3‏: המעגלים-המשולבים (IC‏) InnoSwitch3-Pro‏ כוללים ממשק I²C‏ לטובת בקרה דיגיטלית מלאה, וספק 3.6 וולט משולב (uVCC‏) להפעלת מיקרו-בקר חיצוני (MCU). (מקור התמונה: Power Integrations)

פיתרונות ניתנים-להגדרה בחומרה

עבור יישומים שאינם דורשים תכנות או ניטור דיגיטליים, חברת Power Integrations מציעה את משפחות InnoSwitch3 -CP (איור 5) ו- EP של פתרונות ניתנים-להגדרה בחומרה. בדומה ל- InnoSwitch3-Pro, התקני InnoSwitch3-CP ו- InnoSwitch-EP כוללים בקרים ראשוניים ושניוניים וכן בידוד מחוזק בדירוג > ‎4,000 VAC במעגל-משולב (IC‏) יחיד. מאפייני ההגנה כוללים הגבלת מתח-יתר וזרם-יתר ביציאה, הגנת מתח-יתר ותת-מתח של קו ה- AC, וכיבוי בטמפרטורת-יתר. ההתקנים כוללים חסינות גבוהה לרעש, המאפשרת תכנים העומדים ברמות ביצועים EN61000-4‏ Class A‏.

איור 4‏: כאן מוצג ה- InnoSwitch3-CP ביישום טיפוסי עם חיבור משוב הצימוד האינדוקטיבי FluxLink (בקו מקווקו) בין בקרי הצד הראשוני והצד השניוני. (מקור התמונה: Power Integrations)

המתכננים של ממירי Flyback‏ עם נצילות גבוהה עד 100 וואט, עבור יישומים כגון USB PD, מתאמי QC ויישומים דומים, יכולים להפיק תועלת משימוש בהתקני InnoSwitch3-CP כגון INN3278C‏, INN3279C‏ ו- INN3270C‏ (טבלה 2). למעגלים-משולבים (IC‏) אלו של ממתג (Switcher‏) QR‏ יש אופני CV ו- CC‏ עם פרופילי הספק קבוע, והם תומכים בצירופים סטנדרטיים של נעילה ואתחול-אוטומטי. קיזוז מפל המתח על הכבל נוא מאפיין אופציונלי.

טבלה 2‏: דירוגי הספק של משפחת InnoSwitch3-CP עבור תכנימתאמים ובמסגרת פתוחה. (מקור הטבלה: Power Integrations)

עבור יישומים כגון מוני צריכה, ספקי-כוח תעשייתיים ורשת חשמל חכמה, הספקת-כוח אופן-המתנה וממתח עבור מוצרים לבנים, מוצרים לצרכנים ומחשבים שאינם פועלים עם הספקת-כוח קבועה, המתכננים יכולים לבחור מבין התקני InnoSwitch3-EP כמו INN3678C‏, INN3679C‏ ו- INN3670C‏ (טבלה 3‏).

טבלה 3‏: המעגלים-המשולבים (IC‏) InnoSwitch3-EP‏ הם בדירוג עבור הספק מלא ב- VAC‏ 230‏ %‏15‏± עם הספק נומינלי נמוך יותר ועם תחום מתחי כניסה רחב של VAC‏ 265‏ ~ 85‏. (מקור הטבלה: Power Integrations)

התקני InnoSwitch3-EP תומכים בייצוב-צולב רב-יציאות טוב. חישת זרם היציאה מתכווננת עם נגד חיצוני, בעוד שביצועי CV/CC‏ הם מדויקים ביותר ואינם תלויים בכל רכיב חיצוני שהוא. מעגלים-משולבים (IC‏) של ממתג (Switcher‏) Flyback‏ QR‏ אלו זמינים עם הגנת תת-מתח יציאה עם אתחול-אוטומטי אופציונלית וניתן להזמינם עם אפשרויות הספקת-כוח סטנדרטית או שיא.

מזעור קבלי Bulk‏ וניהול זרם התנעה

כדי להקטין עוד יותר את מספר הרכיבים ולשפר את הביצועים של ספקי כוח AC-DC, מתכננים המשתמשים במעגל-המשולב (IC‏) InnoSwitch3 PowiGaN יכולים גם להשתמש במזעור קבלי Bulk‏ MinE-CAP ובמעגל-משולב (IC‏) של ניהול זרם התנעה עבור תכנים עם צפיפות הספק גבוהה ביותר (איור 8). ה- MinE-CAP יכול להקטין את הנפח של קבלי Bulk‏ בכניסה עד 50%, ולחסוך את הצורך בתרמיסטור עם מקדם טמפרטורה שלילי (NTC) להגבלת זרם ההתנעה. השימוש ב- MinE-CAP גם מפחית את המאמצים על מיישר הגשר ועל הנתיך בכניסה, וכתוצאה מכך משפר את אמינות הספקת-הכוח.

איור 5‏: המעגל-המשולב (IC‏) למזעור קבלי Bulk‏ ולניהול זרם ההתנעה MinE-CAP‏ הוא המשלים הטבעי למעגלים-משולבים (IC‏) של ממתג (Switcher‏) Flyback‏ מרשת-החשמל InnoSwitch3 בספקי-כוח AC-DC‏ בצפיפות גבוהה. (מקור התמונה: Power Integrations)

בדומה למעגלים-המשולבים (IC‏) InnoSwitch3, ה- MinE-CAP ממנף את הגודל הקטן ואת התנגדות מצב-מופעל הנמוכה של התקני PowiGaN כדי לספק ביצועי מערכת משופרים. ה- MinE-CAP מחבר ומנתק אוטומטית סגמנטים של רשת קבלי Bulk‏ בתלות בתנאי מתח קו ה- AC. זה מאפשר למעצבים להשתמש בקבל Bulk‏ הקטן ביותר (_HV‏C‏ באיור 5) עבור פעולה במתח קו AC גבוה תוך מיקום מרבית אחסון האנרגיה בקבלי מתח נמוך (_LV‏C‏) עבור שימוש בתנאי קו מתח נמוך. מכיוון שקבלי מתח נמוך יותר קטנים מאלה של מתח גבוה, השימוש ב- MinE-CAP מקטין את הגודל הכולל של קבלי Bulk‏ בכניסה ללא הפחתה בנצילות, ללא עלייה באדוות היציאה וללא צורך בתכנון-מחדש של שנאי ההספק.

השימוש ב- MinE-CAP מקטין את גודל ספקי-הכוח באפקטיביות לא פחותה מאשר הגדלת תדר המיתוג כדי לכווץ את גודל השנאי. פתרונות MinE-CAP משתמשים בפחות רכיבים וחוסכים את אתגרי התכנון בתדר גבוה כגון פיזור שנאי/מהדק ו- EMI גבוה יותר.

כלי תכנון מקוונים

חברת Power Integrations מציעה גם את PI Expert‏ להאצת התכנון של ספקי כוח AC-DC‏ Flyback‏ מרשת-החשמל באמצעות קו InnoSwitch3 של מעגלים-משולבים (IC‏) של ממתג (Switcher‏) Flyback‏ משולב מרשת-החשמל PowiGaN‏. בנוי סביב ממשק משתמש גרפי (GUI) אוטומטי, PI Expert משתמש במפרטי הספקת-כוח כדי ליצור אוטומטית פתרון המרת הספק. הוא מספק למתכננים את כל הפרטים הדרושים לבניית ובדיקת אב-טיפוס של ממיר הספק. באמצעות PI Expert, המתכננים יכולים לבנות תכן שלם בתוך דקות.

תכנון עם המעגלים-המשולבים (IC‏) InnoSwitch3 מבוססי-PowiGaN‏ הוא אותו דבר כמו תכנון עם התקני InnoSwitch3 מבוססי-סיליקון. ה- PI Expert פועל באותה צורה בעת ביצוע אופטימיזציה של תדר המיתוג, סינון EMI, תכנון שנאי, ממתח ויישור סינכרוני עבור התקני PowiGaN וסיליקון. הכלי מממש אוטומטית את כל השינויים הדרושים כדי להתאים להספק הגבוה יותר של תכנים מבוססי PowiGaN. הכלי מייצר סכמת מעגל אינטראקטיבי, BOM מלא, פרמטרים חשמליים מפורטים והמלצות לפרישת לוח המעגלים המודפסים. התוצאות כוללות גם תכנון מגנטי שלם עם גודל הליבה, עובי החוט, מספר החוטים המקבילים, מספר הסיבובים בכל ליפוף והוראות הליפוף עבור הרכבה מכנית.

סיכום

המתכננים צריכים להגדיל את צפיפות ההספק, להוריד את העלות, ולקצר את זמן הפיתוח של ספקי-כוח 100 וואט מרשת-החשמל עבור יישומים החל ממתאמי ומטעני AC-DC‏ ועד למערכות תעשייתיות. השימוש בטכנולוגיית GaN WGB‏ יכול לעזור, אך תכנון עם GaN דורש תשומת לב קפדנית לפרישת הלוח ולנושאים אחרים הקשורים במיתוג במהירות גבוהה.

כפי שהוצג, גישה משולבת יותר המבוססת על מעגלים-משולבים (IC‏) של ממתג (Switcher‏) Flyback‏ QR‏ InnoSwitch3 מאפשרת למתכננים לפתח ממירי הספק עם נצילות גבוהה המעניקים את יתרונות הביצועים של מתגי GaN, תוך הפחתת הסיכונים הכרוכים בדרך כלל באימוץ טכנולוגיה חדשה.

באמצעות InnoSwitch3, ובשילוב עם מעגלים-משולבים (IC) ממוזערים לניהול זרם התנעה וקבלי Bulk‏ MinE-CAP מבית Power Integrations, כמו גם כלי התכנון המקוון PI Expert של החברה, המתכננים יכולים לממש במהירות רבה יותר ספקי-כוח קומפקטיים, חסונים עם מספר רכיבים קטן ועם יחס עלות-תועלת מיטבי העומדים בתקני נצילות כלל-עולמיים.

המלצות לקריאה נוספת

1. בניית ממתג (Switcher‏) AC/DC היא קלה באמצעות PI Expert‏