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矽力杰新一代超高功率密度GaN解決方案

矽力杰半導體 ? 2022-09-29 10:54 ? 次閱讀

-第79期 -

SILERGY GaN Solution

氮化鎵技術(shù)的出現(xiàn),通過降低開關(guān)損耗和導通阻抗,提高效率,降低發(fā)熱,減小了快充充電器的體積。為了實現(xiàn)更高的功率密度并降低外圍器件數(shù)量,矽力杰自主研發(fā)集成度更高的合封氮化鎵芯片,將控制器與氮化鎵器件集成,包含驅(qū)動、保護等功能,支持QR/DCM模式。在傳統(tǒng)初級電路中兩三顆芯片才能實現(xiàn)的功能,現(xiàn)如今通過采用矽力杰合封方案,僅由一顆芯片就能完成,大大簡化設(shè)計,既能夠提升整體方案的性能,也能減少PCB板的占用,縮小尺寸并減少物料成本。

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典型應(yīng)用

01

原邊合封GaN芯片

SY50296

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SY50296

內(nèi)置GaN FET高頻QR反激式開關(guān)

高效率、高集成:

◆QR+DCM 組合操作模式

◆自適應(yīng) OCP(LPS,有限電源

◆集成 650V/165mΩ GaN FET

◆可編程柵極驅(qū)動電流

◆VCCH引腳包含 140V LDO

◆開關(guān)頻率范圍:25kHz~500kHz

◆谷底鎖定和 1kHz Burst模式以降低音頻噪聲

◆頻率調(diào)制以降低EMI噪聲

◆內(nèi)部軟啟動

◆集成 700V 高壓啟動

◆緊湊型封裝:QFN5×7-18

全面的保護特性:

◆掉電保護

◆X-cap 放電功能

◆可編程輸出 OVP 和 UVP

電流檢測電阻短路保護

◆內(nèi)部和外部 OTP

SY50296 是一款內(nèi)置 GaN FET 的高頻 QR 反激式開關(guān),集成了 650V/165mΩ GaN FET,以實現(xiàn)高效率和高功率密度。SY50296 適用于寬輸出電壓范圍,最大開關(guān)頻率可達500kHz,可減小變壓器和輸出電容的尺寸。

SY50296 工作在峰值電流模式下,采用 QR 模式,GaN FET 可在谷底開啟以降低開關(guān)損耗(尤其是在高輸入電壓下)。當負載持續(xù)降低時,SY50296 將進入 DCM 模式以降低開關(guān)頻率,提高效率;在輕載狀態(tài)下,SY50296 將進入Burst模式以減少功率損耗。

SY50296還提供了全面可靠的功能,包括HV啟動、X-cap放電、掉電保護、輸出OVP和UVP、OLP、VCC OVP、內(nèi)外OTP等。

產(chǎn)品優(yōu)勢

1

SY50296采用專利鎖Ring技術(shù),重載工作時能夠鎖定Ring個數(shù),不會出現(xiàn)跳谷底現(xiàn)象,工作穩(wěn)定,減小輸出紋波,降低變壓器帶來的雜音。

2

SY50296采用全新定制封裝。如下圖,在滿足HV和VCCH爬電距離的同時,頂部整排引腳作為Drain,利于散熱;同時將芯片底部大面積金屬PAD作為Source,大大提高了散熱性能,而且EMI性能良好。

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QFN5×7-18 (頂視圖)

3

DRVset外置電阻可設(shè)定驅(qū)動電流,便于EMI調(diào)試;CS串聯(lián)電阻外置,靈活調(diào)整輸出OCP精度;Fmax引腳通過外置電阻可靈活設(shè)定限頻頻率;Fault引腳可實現(xiàn)外置OVP和OTP,應(yīng)用更方便。

注:推薦SY5238作為副邊同步整流器控制器與SY50296配合使用,實現(xiàn) ZVS 操作,以獲得更高效率。

02

次級側(cè)控制器

SY5238

SY5238

ZVS反激同步整流器

◆ 用于反激 ZVS 的 SR 負電流控制

◆ 高效率、高功率密度

◆ 自適應(yīng)柵極電壓控制

◆ 斜率檢測以防止 SR 誤觸發(fā)

◆ 130V DSEN引腳直接檢測SR MOS的漏極電壓

◆ 省電模式提高輕載效率

◆ 雙通道電源供電,適用于極低輸出電壓的應(yīng)用

◆ 緊湊型封裝:DFN 2×3-8

SY5238 是一款與 QR IC 兼容的反激同步整流控制器,用于實現(xiàn)原邊的ZVS操作。初級側(cè) PWM IC 工作在準諧振模式。ZVS 控制邏輯幫助初級側(cè) MOSFET 在接近0V 時開啟以減少開關(guān)損耗,從而最大限度地提高系統(tǒng)效率并實現(xiàn)高功率密度。SY5238 還采用自適應(yīng)柵極電壓控制以確保安全運行。

產(chǎn)品優(yōu)勢

1

SY5238采用高效率反激ZVS運行。ZVS可減小原邊開關(guān)損耗,原邊功率管溫升減少,且對輻射有改善作用。

2

相比普通的反激,SY5238的集成度更高且BOM不變。

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樣品板

上圖為采用了矽力杰 SY50296+SY5238 GaN解決方案的65W ZVS Type-C便攜式電源適配器設(shè)計樣品。(在前級有PFC電路時,SY50296可支持140W和更大功率的應(yīng)用)。該樣品長38mm、寬22mm、高21mm,裸板體積僅有17556mm3,功率密度高達3.7W/cm3,在保證高性能的同時,大大縮小了快速充電器的體積。

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AC220V 12V時,不同負載下的效率對比

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AC220V 20V時,不同負載下的效率對比

采用SY5238與SY50296搭配使用,在SY5238的ZVS功能開啟條件下,效率有顯著改善。此外,ZVS可以明顯降低SY50296的溫度,提高GaN的可靠性。如下圖,在AC264V滿載條件下增加ZVS后,SY50296溫度可下降36℃。

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矽力杰合封氮化鎵方案SY50296+SY5238在集成度、效率等方面相較于市面同類型方案做出了較大改進,實現(xiàn)了化繁為簡,并且提高了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性,在小體積的前提下保持了高性能。矽力杰氮化鎵方案已在多家廠商中實現(xiàn)規(guī)?;逃?,廣泛應(yīng)用于AC-DC適配器、快速充電器等領(lǐng)域中。

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