文章轉載自?電子工程世界 2023-11-23
今年PI InnoSwitch3系列反激式開關IC再添新品，“900V耐壓”和“100W輸出功率”非常吸引眼光。本次，我們將從新品性能、參考設計以及Demo測評三個角度，初步認識本次新品。
新品性能
本次新品具體為針對家電和工業應用的EP系列INN3690C，以及針對汽車應用的AQ系列INN3990CQ。INN3690C/INN3990CQ具備擊穿電壓高達900V的PowiGaN，特別適用于400V母線系統的相關應用，并且可以在超過93%的效率下輸出高達100W的功率。
InnoSwitch3-EP系列的INN3690C與InnoSwitch3-AQ系列的INN3990CQ參數接近，主要差別在于INN3990CQ符合AEC-Q100標準，適用于車規級應用。本次，我們以INN3690C為例進行說明，相關說明也適用于INN3990CQ。
首先，我們將要了解InnoSwitch3-EP系列的主要特性，INN3690C的特性及典型應用。?
圖1-1 InnoSwitch3-EP典型應用原理圖
如圖1-1所示，相較于其他電源方案，該系列方案具備幾大優勢：
高集成度：PI將初級的高壓開關以及次級的控制電路集成到同一個緊湊的封裝內部，同時具備高達4000VAC的隔離電壓要求，目前沒有其他廠家可以實現類似的技術。InnoSwitch3-EP同時集成了次級檢測以及同步整流驅動器，進一步降低了設計復雜度并提高了電源效率。
高輸出功率以及高效率：以INN3690C為例，其可以在超過93%的效率下輸出高達100W的功率。能夠有效縮小散熱器尺寸，甚至完全省去散熱器，僅靠PCB板進行散熱。
優良的輸出控制性能：InnoSwitch3-EP次級可以采用多路加權反饋方式及同步整流，提供出色的多路輸出交叉調整率。具備優異的恒壓、恒流精度。
高效節能：空載功耗低至30mW，輕松符合全球所有能效標準。
先進的保護/安全特性：具備SR FET-gate柵極開路檢測功能、快速的輸入欠壓過壓保護、輸出過壓故障進入自動重啟保護工作狀態等保護措施。集成的725V/750V/900V額定電壓開關，可以為工業電源等不同高壓應用保持額外的安全余量。?
圖1-2 InnoSwitch3-EP器件輸出功率表
通過圖1-2可以看到INN3690C的特殊之處：在輸出功率100W的所有器件中，具備高達900V的GaN開關。
首先，我們需要考慮一下為什么電源需要高達900V的GaN開關？這里推薦PI 技術外展總監Andy Smith的視頻。概括來說，在反激式功率變換器中，初級的功率開關上的電壓應力取決于3個方面：VDC，即電路的輸入電壓；VOR，即輸出電壓反射至初級的電壓；VLE，即功率變壓器當中的漏感儲能。上述3個電壓會疊加起來，構成初級功率開關上的應力。如圖1-3所示。?
圖1-3 反激變換器中初級功率開關上的應力構成
對應力構成帶入數值進行分析，可以得到如圖1-4的結果。可以看到，在考慮20%安全設計余量的基礎上，初級功率開關的耐壓值需要達到860V。因此，900V耐壓的初級功率開關，可以很好地滿足這些需求。
圖1-4 反激變換器中初級功率開關上的應力數值分析
PI目前已經有基于硅技術的900V耐壓的產品，但是由于硅晶體管的開關損耗較大，同時硅技術的晶圓尺寸較大，因此其功率等級大約限制在30W。對應的750V耐壓的GaN器件則可以輕松滿足100W的輸出功率要求。隨著汽車電子、工業、消費和商業應用的發展升級，對更高輸入電壓的輔助電源的功率需求也一直在不斷提高，因此，PI推出的900V GaN系列產品，完美填補了這一塊市場需求。?
目前新能源汽車發展迅速，PI針對汽車應用的AQ系列的INN3990CQ產品，也為這個領域帶來了一次創新機會。在目前的新能源汽車中，仍普遍存在12V鉛酸電池，其主要功能為在汽車動力系統未啟動時，為安全系統如門鎖、防盜等進行供電。目前的主要架構是高壓動力電池通過DCDC變換器對12V電池進行充電，再由12V電池對安全系統等負載進行供電。如果使用PI的INN3990CQ等器件，則可以直接將動力電池電壓轉換為12V電源軌，構成一個虛擬的12V蓄電池。這樣帶來的顯著優點有：效率高，顯著減重，該電源的性能也會優于12V電池，大大延長了汽車停止行駛期間的待機時間。
參考設計??
除產品外，PI開發的設計支持工具以及參考設計等也完善易用。PI Expert電源設計軟件可以根據用戶輸入參數自動生成電源方案，給出構建和測試原型機的必要信息。針對典型的客戶應用，PI通常都會提供相應的評估板，并附帶全面的測試信息。
針對本次推出的InnoSwitch3-AQ INN3990CQ芯片，PI提供了參考設計DER-953Q，如圖2-1所示。注意，當前PI提供的實際參考設計板卡與此有差異：移除了圖中輸入端的共模電感。其主要用于汽車中μDC-DC變換器的參考應用。?
DER-953Q有如下幾個特點：
1.超緊湊設計，高度低于22mm，僅有66個元件；
2.在150VDC-500VDC下可以滿載運行，輸出效率均≥92%；
3.支持在-40 °C至85 °C環境溫度下運行；
4.使用汽車級AEC-Q標貼元件；
5.增強型500V隔離變壓器，符合IEC-60664-1和IEC-60664-4標準。
圖2-1 DER-953Q參考設計 ??
DER-953Q參考設計報告內容詳盡，包含了設計規格、原理圖及說明、PCB、BOM、變壓器規格以及設計、性能數據、熱性能、波形等。以下，我們重點看下如下幾個部分。
DER-953Q設計規格如圖2-2所示。可以看到，其輸入范圍為150V-500V，輸出電壓為13.5V，輸出電流為7.35A。紋波最大值為270mV(2% Vout)，動態負載下過沖和下沖最大值為450mV(3.3% Vout)。適用于將高壓的400V動力母線電池電壓變換為12V母線電壓，給車內的低壓負載供電。
圖2-2 DER-953Q設計規格
DER-953Q的功率級部分原理圖如圖2-3所示。總體來看，因為InnoSwitch3的高集成度，電路設計保持了PI一貫的簡潔設計風格。?
圖2-3 DER-953Q功率級電路圖
從高壓側看，變壓器的原邊連接到INN3990CQ高壓側功率開關，且具有RCD吸收電路來限制高壓FET關斷時候的DS端電壓峰值。變壓器的輔助繞組對INN3990CQ進行供電。
從低壓側看，INN3990CQ主要功能是電壓測量、電流測量以及SR FET的驅動。在本設計中，2顆MOSFET并聯使用作為SR FET，對于7.35A的高電流輸出，可以降低散熱壓力。SR FET上還并聯有RC吸收電路以抑制高頻震蕩。
FB為INN3990CQ的電壓反饋引腳，R113和R114構成基礎電壓反饋，ATL431部分電路構成精確電壓調整（Precision Voltage Regulation, PVR）反饋。由于PI獨有的FluxLink反饋技術，可以直接測量低壓側電壓進行反饋，而不是傳統的通過光耦反饋的方式，可以極大提升低壓側輸出電壓精度。
IS為INN3990CQ的電流反饋引腳，R109、R110和R111為電流采樣電阻。保證在故障發生時，電源有足夠的過載保護能力，從而保護電源及負載的使用安全。?
DER-953Q采用了6層板設計，相關設計文件均可以在PI官網獲得。除元件BOM之外，PI還提供了本設計的變壓器設計文檔。
PI對DER-953Q進行了詳盡的測試，我們來看一下幾項主要的測試數據。
圖2-4展示了DER-953Q的效率表現，可以看到達到50%負載后，在全部輸入電壓下，電源的效率均高于92%。隨著輸入電壓的降低，其效率表現將會稍有提升。
圖2-4 不同輸入電壓下效率vs負載率（環境溫度85 °C）
圖2-5展示了DER-953Q的熱性能，可以看到在最低輸入電壓下，INN3990CQ具備最大的熱應力，溫度已經達到124°C，已經非常接近125°C的限制。這也部分是由于85度環境溫度的原因造成的。因此在用戶實際設計中，需要給芯片的SOURCE引腳提供足夠大的銅皮進行散熱。對于有更嚴酷環境溫度要求的應用，可以考慮將PCB板的熱量通過外加導熱墊的方式，將熱量傳導至整機部件的金屬外殼上進行冷卻散熱。?
圖2-5 元件溫度（環境溫度85 °C）
圖2-6展示了INN3990CQ內部高壓FET以及SR FET的電壓應力。可以看到，在500V輸入電壓下，INN3990CQ內部高壓FET應力也僅達到900V額定耐壓值的80%，留有充分的電壓裕量。這也充分體現了900V耐壓的重要性。
圖2-6 電壓應力（環境溫度85 °C）
圖2-7展示了DER-953Q的動態性能。可以看到在全部測試中，電壓變化不超過450mV(3.3% Vout)，說明其動態性能極佳。而在傳統方案或者初級穩壓方式的方案當中，需要使用很大容量的輸出電容來滿足動態負載變化引起的穩壓精度的要求。對于具有快速響應特性的INN3990CQ方案而言，則可以使用小得多的輸出電容容量。這不但可以節省空間，還可以降低成本，同時增加整體電源的使用壽命和可靠性。?
圖2-7 負載變化響應（環境溫度85 °C）
上手測評
本次測評也對DER-953Q進行了簡單的測試，由于測試條件限制，主要進行了電壓輸出精度、紋波以及負載變化響應的測試。
表2-8展示了DER-953Q輸出精度。可以看到其負載調整率的表現極佳。
輸出電壓（V） | ||
0 | 13.47 | |
3.75 | 13.47 | |
7.35 | 13.47 | |
0 | 13.47 | |
3.75 | 13.47 | |
7.35 ? ? ? ? | 13.46 |
圖2-9和圖2-10分別展示了150VDC和380VDC輸入電壓下，在0A，3.75A和7.35A負載下的紋波表現。可以看到，測量到的最大紋波僅為141mV。?
圖2-9 150VDC輸入電壓下紋波（環境溫度25°C） ??
圖2-10 380VDC輸入電壓下紋波（環境溫度25°C）??
圖2-11和圖2-12分別展示了150VDC和380VDC輸入電壓下，在0A至7A（95%）和7A（95%）至0A負載變化下的輸出電壓變化。可以看到，最大的輸出電壓波動為435mV。
圖2-11 150VDC輸入電壓下對負載變化動態響應（環境溫度25°C） ??
圖2-12 380VDC輸入電壓下對負載變化動態相應（環境溫度25°C）
總結 ?
PI本次芯片的核心競爭力：900V耐壓的GaN初級FET，能提供高達100W的輸出功率。總體來說，PI本次新品具備優秀的性能指標，同時官網還有豐富詳實的設計資源，便于用戶快速評估設計。相信這些新品會再次引領反激變換器設計領域的技術革新。給高輸入電壓的應用及市場火爆的汽車電子應用帶來新的選擇。
相關閱讀：
1、PI InnoSwitch3-EP/AQ榮獲ASPENCORE WEAA年度電源管理獎
2、Power Integrations推出具有里程碑意義的1250V氮化鎵開關IC
3、效率加滿，Power Integrations的IC為aCentauri車隊太陽能賽車的關鍵任務功能保駕護航
4、參考設計 | PowiGaN InnoSwitch3-EP為工業應用保駕護航
5、Power Integrations推出900V氮化鎵反激式開關IC
欲了解更多PI的方案，歡迎訪問power.com，或點擊閱讀原文。
