憑借PowiGaN專利技術(shù)，PI將GaN引入充電和照明應用

隨著摩爾定律走向極限，要提升半導體性能只能通過發(fā)掘新材料實現(xiàn)，相對于 Si 晶體管，GaN 晶體管的禁帶寬度更大，導熱率和能量密度更高，穩(wěn)定性更好，因此很多公司在十幾年前就開始研發(fā) GaN 技術(shù)，但是由于成品率很低，成本居高不下。而且對比 MOSFET 開關(guān)就會發(fā)現(xiàn)，GaN 開關(guān)工作于高頻開關(guān)應用時其必須與控制器驅(qū)動進行良好配合，且對 PCB 的布局十分敏感，工程師想設計一個安全可靠的 GaN 開關(guān)很有挑戰(zhàn)性。但是 PI 近期發(fā)布的 InnoSwitch 3 系列恒壓 / 恒流離線反激式開關(guān)電源 IC 和 LYTSwitch-6 IC 讓 GaN 的應用有了新的突破。

PI 資深技術(shù)培訓經(jīng)理閻金光向與非網(wǎng)記者介紹，“InnoSwitch3 的新 IC 可在整個負載范圍內(nèi)提供 95%的高效率，并且在密閉適配器內(nèi)不使用散熱片的情況下可提供 100 W 的功率輸出。在 LYTSwitch-6 產(chǎn)品系列中使用 PowiGaN 開關(guān)增大了該產(chǎn)品的輸出功率范圍及擊穿電壓范圍，如果包含前級升壓 PFC，基于 PowiGaN 開關(guān)的 LYTSwitch-6 參考設計可實現(xiàn) 90%的系統(tǒng)效率?！?/p>

PI 資深技術(shù)培訓經(jīng)理閻金光

PowiGaN讓InnoSwitch 3效率、輸出功率實現(xiàn)“雙升”

InnoSwitch 3可以達到100 W 的功率輸出，實現(xiàn)95%的效率，PI 的專利技術(shù) PowiGaN 技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。InnoSwitch 3 系列產(chǎn)品以前都是基于 Si 技術(shù)研發(fā)，在 65 W 的應用中非常有效，但隨著市場對更大輸出功率的應用要求，PI 將 PowiGaN 技術(shù)集成到 InnoSwitch 3 中，使其輸出功率從 65W 提高到 100W，可以滿足更多移動快充及 PD 適配器等更高輸出功率范圍的應用。

InnoSwitch 3 包含三個系列：InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP 和 InnoSwitch3-Pro。其中，InnoSwitch3-CP 適合 PD 中的恒功率應用，InnoSwitch3-EP 適合家電中的敞開式應用，因其周圍環(huán)境溫度比較低，散熱好，因而能夠輸出更高的輸出功率；InnoSwitch3-Pro 則適用于 PD 及 PPS 應用，利用數(shù)字接口實現(xiàn)輸出電壓電流的精準控制及調(diào)節(jié)，滿足可編程電源的使用需要。

在 InnoSwitch 3 系列產(chǎn)品中，INN3X79C 和 INN3X70C 內(nèi)部集成了 GaN 開關(guān)，用于 PD 可以做到 90W，敞開式可以做到 100W。主要應用于對尺寸和效率有較高要求的應用，例如：非原裝 USB PD 適配器，可以把體積做得更小，還適用于高端手機充電器和其它移動設備，筆記本適配器，電視機、服務器待機電源、視頻游戲機等產(chǎn)品。

閻金光解釋，“我們把 GaN 開關(guān)集成到 IC 內(nèi)部，優(yōu)勢在于控制器、開關(guān)和 GaN 保護已經(jīng)在 IC 內(nèi)部做好，用戶無法改變，消除了分立元件方案中 GaN 開關(guān)受外圍元件參數(shù)變化及布局所帶來的影響，因此更加可靠。GaN 開關(guān)是功率技術(shù)的未來，它并不只應用于小功率設計，將來還可以應用在更高的功率中使用，因而安全可靠是保證其能在消費類電子領域大批量應用的基礎。”

保證產(chǎn)品使用的一致性、連貫性、易用性

雖然新型 InnoSwitch 3 產(chǎn)品的功率更大，效率更高，但是基于 GaN 的開關(guān)和基于 MOSFET 的開關(guān)在電源工作方式上沒有區(qū)別，使用者只會感受到其帶來的效率大幅提升，不會對其開關(guān)工作方式感受到有何不同，工程師在使用 GaN 開關(guān)進行設計時也和 MOSFET 基本一致。

如上圖，整個電路采用簡單的反激式電路拓撲結(jié)構(gòu)，無論采用硅晶體管的還是采用 PowiGaN 開關(guān)的 InnoSwitch3 IC 均使用相同的開關(guān)電源設計流程，而且是相同的開關(guān)頻率，根據(jù)輸出功率的不同選取相應的外部電路元件即可，而開關(guān)波形也完全一樣，工作時無其它異常的電路特性表現(xiàn)及增加特別的設計考量。

InnoSwitch3 可以做到 100K 的開關(guān)頻率，有些公司可能給出更高的參數(shù)指標，閻金光特別解釋，“一般開關(guān)頻率越高，變壓器的體積越小，電源體積越小，但是開關(guān)頻率高，也同時犧牲了 GaN 開關(guān)開關(guān)損耗低的優(yōu)勢；再者，因頻率增高會帶來相應的 EMI 問題，需要加很多 EMI 濾波器件滿足 EMI 測試要求，這反而對高功率密度的電源設計帶來挑戰(zhàn)。 所以電源體積大小并不完全取決于開關(guān)頻率的大小，所以并不是頻率越高就能充分利用 GaN 開關(guān)的優(yōu)勢，因此需要在合適的頻率范圍內(nèi)使用 GaN 開關(guān)，實現(xiàn)效率、體積、EMI、成本的綜合考量?！?/p>

PowiGaN帶來更高效率和輸出功率

GaN增加了InnoSwitch 3的效率和輸出功率

大家知道，當功率達到一定程度，電源并不是只做一級 DC-DC 變換，前面會有 PFC 校正電路，其輸出是 400V DC，所謂 PFC 就是功率因數(shù)矯正，如果電路中有 PFC 前級，則可以讓 GaN 開關(guān)構(gòu)成的 DC-DC 部分輸出更高的輸出功率。從上圖可以看出，GaN 增加了 InnoSwitch 3 的效率和輸出功率，GaN 的耐壓可以做到 750V，能夠滿足更多對可靠性有更高要求的應用。

MOSFET 的輸出電容在開通時通過其本身進行放電，開關(guān)損耗隨著管子大小的增大而增加，導通損耗隨著管子大小的增大而減少。但開關(guān)損耗的增加抵消了導通損耗的降低部分，因而對于更高功率的應用，很難通過增大 MOSFET 的方式提高效率。

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針對 GaN 開關(guān)，導通損耗隨著器件增大而降低，開關(guān)損耗隨著器件增大很小，總之，GaN 開關(guān)損耗相對于 MOSFET 開關(guān)更低。和上圖對比可見，采用 GaN 開關(guān)的開關(guān)損耗隨器件尺寸的增加增量極少，因而可以大幅改善較高輸出功率應用的電源效率。

基于 PowiGaN 的 InnoSwitch-3 設計可實現(xiàn) 95%的滿載效率，在適配器設計中可省去散熱片。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，PowiGaN 的高效率還可提高 60 W USB PD 電源在各種負載下的性能，在各種負載下的高效率性能與標準 InnoSwitch3 方案一致，適合于大功率 USB-PD 應用；在 115 VAC 下的平均效率為 92.5%，在 230 VAC 下則為 93.3%。

采用 PowiGaN 技術(shù)的 InnoSwitch-3 參考方案

PowiGaN增強LYTSwitch-6的性能

除了 InnoSwitch-3 系列，PI 還將 PowiGaN 技術(shù)引入了用于照片應用的 LYTSwitch-6 系列 IC 當中，其中 LYT6079C 輸出功率可以達到 100 W，LYT6070C 的輸出功率可以達到 110 W，耐壓達到 750V。該系列特別適合對效率有要求的應用，比如對高度有要求的天花板 LED 燈具驅(qū)動，高低艙頂燈燈具，LED 路燈驅(qū)動，以及工業(yè)用 12V 或 24V 恒壓輸出應用。

相對分立元器件驅(qū)動方案，需要外加電流檢測電阻，而采用 PowiGaN 的方案，GaN 已經(jīng)集成到 IC 內(nèi)部，不需要電流檢測電阻，因此總體效率并不比分立器件差。而 PI 獨有的 FluxLink 初次級耦合技術(shù)可以保證在任何工作條件下同步整流的優(yōu)勢可以發(fā)揮到極致，因而實現(xiàn)更高的電源轉(zhuǎn)換效率。

如上圖所示，第一級綠色部分采用了 PI 公司的 HiperPFS-4 和 Qspeed 升壓二極管，可以保證輸出母線電壓保持 400V，這樣后級 DC-DC 的輸入電壓更高；后面黃色部門的第二級使用了集成 PowiGaN 開關(guān)的 LYTSwitch-6 實現(xiàn)反激變換，最后輸出 48V，在 277VAC 下，兩級變換的滿載效率仍然可以達到 90.5%。

采用 PowiGaN 技術(shù)的 LED 驅(qū)動器設計的 LYTSwitch-6 方案

目前，PI 的 Expert 現(xiàn)在已經(jīng)支持 PowiGaN 器件的設計，可以實時創(chuàng)建符合客戶規(guī)格參數(shù)的自定義方案，提供在不同工作條件下、啟動及過載時均可正常工作的設計方案，完整的電路原理圖–包括 EMI 濾波器和散熱設計指南，物料清單也允許用戶根據(jù)喜好自行調(diào)整，以采用所偏好的元件。

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