把MOSFET替換成GaN器件,65W電源適配器就能秒變100W水平?

近年來，在電源領域，USB PD/USB C和氮化鎵（GaN）成為了兩個關鍵詞。USB PD能夠提供大功率輸出，在消費類設備（包括家電設備）中有一統天下之勢。GaN開關管則由於出眾的耐高溫和高頻、低損耗特性，成為高性能標杆電源產品設計的理想之選。那麼，這兩者是否有結合的可能呢？

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實際上，如果你留意市場上的USB PD適配器產品，就會發現已經有包括Anker和Ravpower在內的許多非原裝產品採用了基於GaN開關管的設計，而Power Integrations（PI）公司新發布的基於PowiGaN（即PI的GaN）的InnoSwitch3，就是其中之一。

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日前，在PI的媒體見面會上，Power Integrations資深技術經理閻金光（Jason Yan）告訴記者，該公司已將PowiGaN開關技術（PI的GaN技術）擴展到了InnoSwitch3 IC（基於MOSFET的InnoSwitch 3的詳細介紹，請見《反激式電源效率提升到94%，意味著哪些設計優勢？》）當中，從而擴展了其使用範圍。

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閻金光介紹說，InnoSwitch3包括三個系列：InnoSwitch3-CP是恆功率應用；InnoSwitch3-EP適合敞開式應用（即嵌入式電源，適合微波爐等家電內部空氣流通比較好，周圍環境溫度不太高的應用）；InnoSwitch3-Pro即可編程，帶有I2C接口和MCU。

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InnoSwitch3以前採用的是矽MOSFET開關管，對於65W以下應用沒有問題。但若想提高功率輸出，則需要用GaN開關管來代替。GaN等寬禁帶器件適合高溫應用，可以提高開關頻率，使開關損耗（即開關期間電壓和電流交疊部分）變小。其單位面積的RDS(ON)更小，因此也可使導通損耗（I2R）變小。這樣InnoSwitch3的功率輸出就可以拓展到最大100W的水平（敞開式）。

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採用PowiGaN的InnoSwitch3適合對尺寸和效率有較高要求的應用，如下。

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他補充說，為什麼是非原裝的USB PD適配器呢？GaN這項技術其實早在十幾年前就已開始陸續研發，但一直無法進行可靠的大批量生產。業界都想嘗試走到技術前端，但它會有一定風險性。因此現在市場上看到的還是非原裝的USB PD適配器。但是隨著這個市場起來，華為、小米等一線OEM原廠將會跟進。

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「現在在市場上唯一能穩定大批量供貨的廠商就是Power Integrations。目前沒有一顆晶片因為技術問題而被返回原廠做質量分析。」他強調。

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對於分立式GaN電晶體來說，它需要連接控制器，這在布局上就非常具有隨意性。變壓器周邊元器件的誤差可能對GaN開關帶來危險，造成它損壞。因此PI將它集成到了IC中。

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下圖是反激電源的簡單拓撲，反激電源一般用來提供150W以下輸出功率，這在消費電子和車規電子領域用得非常普遍。InnoSwitch3中集成了一個初級側功率開關，以及初級側控制器和次級側控制器，初級側和次級側之間通過FluxLink磁感應的方式耦合。

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採用PowiGaN的InnoSwitch3隻是把開關管替換成了GaN器件。頻率不變，仍為100kHz。那麼，既然GaN能夠耐高溫又能高頻操作，為什麼不工作在200或300kHz呢？閻金光解釋說，如果增加工作頻率，則開關損耗反而會增大。這樣就會喪失GaN所帶來的一些優勢。你可能認為，開關頻率增大可以使變壓器做小，從而使電源的整個設計縮小。但真是如此嗎？事實上，如果把開關頻率做高，EMI就會增大，這樣就要增加濾波元件，因此電源不見得能夠做小。PI認為這裡有個最佳平衡點，可以平衡電源體積和成本以及效率，因此並不主張工作在300k甚至400k。「GaN開關本身是沒有問題的。但是隨著頻率增加，電源的整個指標會變差，需要花額外的成本把它修正過來，這樣電源反而不能做到更小。」他補充說。

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從下面的效率圖可以看到，隨著GaN開關管的使用，新的InnoSwitch3器件可以實現更低的單位面積RDS(ON)以及更高的輸出功率和效率。

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下面是GaN與MOSFET的開關損耗與導通損耗以及總損耗的對比。從圖中可以看出，隨著器件尺寸增大，GaN的開關損耗增加比MOSFET小很多，這是它能夠工作在高頻下的原因。

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另外，PI的PowiGaN參考設計現已發布，目前主要是針對非常火的USB PD——現在越來越多的設備開始採用USB C口設計。從圖中可以看出，該參考設計採用PCB敷銅的方式實現散熱。IaZednc

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下面是業界第一個雙USB C口方案（90W，每個口45W）。以前的雙口輸出方案是一個電源通過兩個連接器實現輸出。這種新方案實際是一個設備中封裝了兩個電源，它可以給一個或兩個設備供電（比如充電電壓不一的情況），裡面用到了微處理器檢測。

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將PowiGaN同時擴展到LYTSwitch-6中

另外，PI也將PowiGaN技術擴展到了其LYTSwitch-6照明系列之中。LYTSwitch-6實際是InnoSwitch3在照明應用中的拓展。使用PowiGaN的LYTSwitch-6輸出功率可以做到最高110W的水平——在照明應用中一般都會有前級功率因數校正（PFC），在有PFC的情況下，輸出功率可以做到更大（InnoSwitch3是100W最大）。750V耐壓對於照明應用優勢更大——照明驅動器經常會因雷電原因而被損壞掉。

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LYTSwitch-6的優勢

傳統LED驅動器方案（反激電源）初級側有一個控制器和一個MOSFET，同時執行電流檢測。次級側則是利用光耦進行反饋。次級整流採用同步整流，它採用單獨的控制晶片。為了實現電壓電流控制，需要執行相應檢測，然後通過光耦把信息反饋到初級側。

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LYTSwitch-6則是實現了高度集成，它集成了PowiGaN/MOSFET開關、初級側控制器、FluxLink、同步整流驅動、輸出電壓電流檢測。

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GaN開關管提高了LYTSwitch-6的性能，具體表現在更高的效率和輸出功率。

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由於是兩級整流（PFC+反激變換），效率為兩級的乘積，最高能夠做到90.5%。

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100W LED驅動器PowiGaN參考設計如下：

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另外，PI Expert軟體現已支持PowiGaN器件的設計。

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CAPZero-3降低待機功耗，使家電滿足全球節能標準

此外，PI還同時發布了CAPZero-3產品，它適用於家用電器中的EMI濾波器部分。閻金光介紹說，電源功耗有很多種，例如電源的待機功耗，有一部分來自於X電容的放電電阻。X電容在功率比較大的設計中基本都會用到，它跨接在零線與火線之間，用來短路EMI。如果沒有X電容，電源產生的EMI就會通過導線傳導到電網中去。這樣就會對電網上其他用電設備產生影響。

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X電容有容量限制，當它在0.1μF以下時，不會產生安全問題。但若它容量較大，當用戶把電源從牆上拔下時，如果沒有放電電阻，用戶就有可能觸電。

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放電電阻和X電容並聯連接，也是跨接在火線和零線之間，也就是說始終有功耗，也就會產生待機功耗。CAPZero-3就是用於消除放電電阻在電源工作期間所產生的功耗。

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CAPZero-3的工作過程如下所示。CAPZero-3可以實現智能檢測，當檢測到交流供電上電時，使放電路徑開路；當檢測到交流供電斷開時，則迅速將放電電阻短接進來。因此，CAPZero-3其實也有功耗，但是只有4mW。

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CAPZero-3可以使家電應用滿足IEC6035標準要求。如果沒有CAPZero-3，而是將電阻持續接入，阻值太大的話會增大待機功耗，太小的話又不能實現電容快速洩放。

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此外，我們都知道LC濾波，如果想使用較小的（比如0.1μF）的X電容，要實現相同的濾波效果，就得使用較大的電感（比如1mH），這樣就會增加電感成本。但如果採用2μF的電容，則採用500nH的電感就已足夠，但是這就需要使用較大放電電阻。因此，採用CAPZero-3還可以降低電感成本。

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家電設備有大有小，像洗衣機、冰箱這樣的大功率設備當中可能有很多X電容並聯連接（比如兩級濾波），總電容值可能高達6μF。而不管其中用到幾個X電容，由於它們都是通過導線連接，因此只需要採用一個CAPZero-3就可實現所有電容放電。

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