利用GaN技術在狹窄環境中保持「冷靜」

作者 : Dhaval Dalal和Rajesh Ghosh,Tagore Technology

GaN提供較低的導通和開關損耗,可在高效配接器上實現更高的開關頻率操作...

自從USB-PD規範推出並歷經演變以來,用於為手機到筆記型電腦等日常電子裝置供電的電源配接器格局發生了很大變化。雖然USB-PD確保了廣泛的相容性,但電源配接器的設計變得更具挑戰性——現在,電源配接器必須要能支援廣泛的輸出電壓(相對於專用配接器的單一輸出電壓)。

與此同時,終端用戶仍持續要求更輕、更小的配接器。為此,業界近年來推出了氮化鎵(GaN)功率開關以滿足上述雙重要求。

相較於矽元件,GaN元件提供更低的傳導和開關損耗,因而能以高效率實現更高開關頻率的操作,因此電源配接器可以做得更輕薄短小。基於GaN元件的設計需要特別注意,因為其閘極電壓範圍有限,且該閘極易受雜散的導通和關斷影響。然而,具有單晶片整合驅動器的GaN FET (例如Tagore Technology的TP44x00NM系列),除了能節省空間外,還能使設計實作更穩定且輕鬆。

雖然GaN元件能實現更高的功率密度,但為了實現高可靠性且具市場性的配接器設計,仍有一些系統級問題需要解決。正如每個電力電子工程師所知道的,這些問題是以散熱設計和EMI合規性為中心。作為人類,當我們處於緊張狀態時,就會努力保持冷靜和鎮定。對於設計的電路來說,情況也沒有什麼不同:配接器內的電子電路必須要在放置它們的狹小空間中保持冷(表現出低溫升)靜(低發射雜訊)。本文將著眼於實現這些目標的技術。

散熱和EMI挑戰

散熱和EMI設計挑戰對電源設計人員來說並不陌生。然而,隨著GaN技術能夠實現更緊湊的空間,這些挑戰變得更加嚴重。

就本文特別關注GaN元件而言,其裸晶尺寸遠小於等效功率損耗性能的矽元件。此外,GaN元件的封裝更小,需要採取特殊措施來限制裸晶的溫度。即使GaN元件具有較低的損耗,更高的散熱管理挑戰仍然存在。從EMI的角度來看,GaN元件的寄生電容較低,因此其傾向於以更快的上升沿和下降沿進行開關,因而導致諧波和EMI的產生。

此外,在更密集的配接器中更緊密地排列元件,與實現低溫升和EMI是對立的。在耗散更嚴重的元件和其他元件之間鄰近加熱,可能導致對其他元件提出更高溫度額定值的要求。此外,配接器的全封閉式封裝也使散熱方案受限。從EMI的角度來看,開關元件的臨近放置以及較小的初次級間距,也會導致交叉耦合等等問題。

儘管存在上述挑戰,但仍有一些技術供設計人員使用,以提高散熱性能和EMI性能。

散熱解決方案

有效散熱管理背後的基本原則是以最具效率的方式分配熱量。這可以透過多種方式實現,包括策略性的元件佈局;添加銅平面並將其連接到散熱器,以提高PCB的熱量傳播;在外殼內部表面添加銅鍍層;使用導熱間隙填充材料橋接PCB頂部和底部。

本文以使用準諧振返馳(QRF)拓撲的65W配接器設計為例,介紹實現其中一些概念的方法。首先,應該體認到輸入濾波電解電容(EL電容)的體積很大(約為配接器體積的15%),而散熱很少。因此,將GaN元件直接放置在電路板另一側的EL電容下方會有所幫助。使用通孔和熱膠將熱量傳遞到電路板的EL電容側也有很大幫助。類似的策略還可應用於EMI濾波電感等熱耗散元件。

另一個有用的步驟是將輸入橋式整流器(會消耗4.5%的輸出功率)移至子板。整流器的自熱並不至於損害配接器的性能。然而,從整流器到GaN元件的熱擴散會影響功率處理能力。最後,在組裝之前,可以策略性地使用銅板將高耗散區域與低耗散區域連接起來,從而嘗試平衡配接器內的溫度。1說明其中一些概念。

圖1:散熱和EMI設計、佈局和封裝解決方案。

EMI解決方案

EMI解決方案包括傳統途徑,例如選擇正確的頻率、適當的佈局、合適的EMI濾波器以及控制開關轉換。QRF拓撲可以實現更軟的啟動開關轉換,從而有助於降低EMI。TP44x00NM系列還可以實現閘極開啟速度控制,從而為限制EMI提供了額外的手段。

這種微型配接器的初級-次級電容較大得多,因為其初級側和次級側之間的間距從一般的8mm縮減到更低的程度。這降低了共模(CM)阻抗,因此導致了初級和次級之間更高度的耦合——用於散佈熱量的銅箔使得這種現象變得更糟。最終的傳導EMI合規性需要一些特殊措施(在1中突顯其中一部份)。首先,共模扼流圈需要在X電容的任一側分成兩個電感(一個用於1MHz頻率,另一個用於1~30MHz頻率)並放置在交流(AC)側。差模(DM)濾波器是一種π型濾波器,透過將直流(DC)側濾波器電容一分為二,並在中間放置一個DM扼流圈形成。最後,也是最關鍵的,受安規強制要求的Y電容要放置在兩個位置:一個(680pF)放置在X電容和次級接地之間,另一個(也是680pF)放置在次級開關節點和初級接地之間。1.36nF的總值要遠低於2.2nF Y電容的限值,這也就提供了一些設計裕量。

最終結果:改進散熱和EMI

上述散熱和EMI改進措施是在配接器中實施的,接著將其與同樣使用GaN技術的類似市售配接器進行比較。散熱和EMI結果分別如23所示。使用TP44200NM的配接器之散熱性能隨著實施改進而較早穩定,最終溫度至少比其他配接器低10℃。EMI性能也優於市場採購的配接器(圖中未顯示),並在整個頻譜範圍內提供了>10dB的裕量。

圖2:散熱性能比較。

圖3:TagoreTech配接器的EMI性能(>10dB裕量)。

總結

使用本文所介紹的技術,可以讓基於GaN的配接器設計更加穩健。透過更密切關注元件選擇、電路板佈局和封裝技術,還可進一步增強GaN和GaN IC的潛在性能優勢。當電氣、散熱和EMI性能協調一致時,所得到的可能不僅是更冷(低溫升)、更靜(低EMI)的配接器,同時為設計團隊提供了更「冷靜」的專業體驗。

本文作者:
Dhaval Dalal,Tagore Technology系統應用架構師
Rajesh Ghosh,Tagore Technology電力電子工程師

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年7月號雜誌

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