GaN打造高效電源供應器 　返馳式電路效率耗損創新低

這晶片組合為返馳式電源供應器設計帶來了重要的新功能。由於變壓器中的一次側漏電感， 一次側須要主動箝位電路。當一次側切換開關關閉時， 漏電感換向會導致電壓過衝， 進而損壞MOSFET。一種常見的解決方案是使用被動電阻器－電容器－二極體(RCD)箝位來保護MOSFET(圖1)。該箝位會將洩漏能量移動到箝位電容器中，使其作為電阻器中的熱量消耗。RCD箝位雖然降低了返馳式效率，但保護了MOSFET。

箝位中的能量在每個切換週期期間都會損失。這迫使設計人員限制最大切換頻率，這就需要使用更大的變壓器。因此， 被動箝位解決方案會降低返馳式效率或者導致電源供應器尺寸更大、熱量更高， 而更有效的方法是用主動箝位取代被動RCD網路。

主動箝位

主動箝位器不會耗散能量，而是再循環洩漏能量，進而提高效率和減少熱量產生。在主動箝位設計中，RCD突波吸收器中的電阻器由切換開關取代。如果使用ClampZero，則切換開關是PowiGaN裝置(圖2)。當一次側切換開關關閉時，二次側控制指示ClampZero 切換開關開啟，並在一次側切換開關開啟之前，將箝位電容器能量引導到二次側。接著，再循環箝位將對漏電流進行整流，並確保一次側切換開關兩端的電壓在開啟前為零(ZVS)。

在傳統的主動箝位設計中， 一次側MOSFET和主動箝位切換開關以互補方式運作，這些箝位電路被稱為「互補式主動」箝位電路。在這種工作模式下， 轉換器只能在不連續模式或臨界導通模式下運作，它不能在連續導通模式下運作。如果需要寬輸出電壓範圍設計，例如USB PD和PPS充電器，對設計人員來說可能是一項挑戰，這會導致設計在高線電壓條件下必須極度不連續。然而， InnoSwitch4-CZ和ClampZero晶片組克服了這個限制。

返馳式晶片使用方法

InnoSwitch4-CZ和ClampZero晶片配對採用智慧零電壓切換的非互補式主動箝位的複雜、不對稱控制，支援不連續和連續導通的工作模式，提高了設計彈性並在整個運作包絡線內實現了最大效率。新型返馳式切換開關晶片可實現優良的CV/ CC準確度，不受外部元件影響，且無負載功耗低於20mW，其中包括線路感測安全和保護功能。

該系列在小巧、單一InSOP-24D封裝中，包含了750V切換開關、一次側和二次側控制器、ClampZero介面、同步整流以及安全額定回授。且高達140kHz的穩態滿載切換頻率大幅減小了變壓器尺寸， 可進一步增加功率密度。

在經過優化後，可用於高效率的小型USB PD轉換器、高密度返馳式AC/DC電源供應器和高達110W的高效率CV/CC電源供應器。並支援可變輸出電壓和電流分析且受到全面保護，包括針對輸出過壓和欠壓保護的自動重新啟動或鎖定故障回應、線電壓欠壓和鎖定或磁滯過溫保護。

與傳統技術相比，例如運作時切換頻率非常高，該自然補充可縮小至相同或更小的整體電源供應器尺寸，同時避開了複雜的EMI濾波以及與極高頻率設計相關的變壓器、箝位電路損耗增加的難題。此外， 還可以精確地管理AC開啟時的突波電流，進而免去了耗散的NTC或大型慢熔型保險絲。

Power Integrations的DER-928設計範例是一款適用於手機和筆記型電腦的超小型60W USB PD 3.0充電器。其特點包括：

・採用高電壓PowiGaN切換開關的InnoSwitch4-CZ主動箝位返馳式切換開關晶片

・ClampZero主動箝位晶片

・MinE-CAP大電容器小型化晶片

・輸入：90V AC-265V AC

・USB-C PD輸出：5V/3A；9V/3A； 15V/3A；20V/3A

在上述設計中，用130μF輸入電容取代100μF大電容器可將峰值功率提高到90W。其他效能特點包括：

・符合DOE6和CoC v5 2016效率要求

・輸出過壓和過電流保護

・整合過溫保護

・<60mW無負載輸入功率，其中微控制器的功耗為20mW

・具有高功率密度的小型設計：30.3W/英寸3，不含外殼(60W/1.77英寸×1.77英寸×0.63英寸)

返馳式晶片解決方案包括可提供65W至110W的晶片組(表1)。它們可用於轉換器或開放式架構設計，並透過新增功率因數修正(PFC)前端支援85-264 VAC線電壓操作和385 VDC操作。

返馳式晶片成就高功率充電器

透過返馳式晶片組，設計人員能夠為手機、平板電腦和筆記型電腦製造達110W的高密度充電器，這是前所未有的設計。

且該晶片面向高效的小型USB PD轉換器和CV/CC電源供應器，能夠提供可變輸出電壓和定電流分析。其無負載功耗低於30mW，其中包括線路感測安全和保護功能，並且效率高達95%，使其在線電壓、系統負載和輸出電壓的變化範圍內極度平穩。

(本文作者為Power Integrations產品行銷總監)