PI InnoSwitch3系列反激式開關(guān)IC新品性能、參考設(shè)計及上手測評

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今年PI InnoSwitch3系列反激式開關(guān)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(shè)計以及Demo測評三個角度，初步認(rèn)識本次新品。

新品性能

本次新品具體為針對家電和工業(yè)應(yīng)用的EP系列INN3690C，以及針對汽車應(yīng)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(tǒng)的相關(guān)應(yīng)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(shù)接近，主要差別在于INN3990CQ符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，適用于車規(guī)級應(yīng)用。本次，我們以INN3690C為例進行說明，相關(guān)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(yīng)用。

圖1-1 InnoSwitch3-EP典型應(yīng)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(yōu)勢：

高集成度：PI將初級的高壓開關(guān)以及次級的控制電路集成到同一個緊湊的封裝內(nèi)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(xiàn)類似的技術(shù)。InnoSwitch3-EP同時集成了次級檢測以及同步整流驅(qū)動器，進一步降低了設(shè)計復(fù)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(yōu)良的輸出控制性能：InnoSwitch3-EP次級可以采用多路加權(quán)反饋方式及同步整流，提供出色的多路輸出交叉調(diào)整率。具備優(yōu)異的恒壓、恒流精度。

高效節(jié)能：空載功耗低至30mW，輕松符合全球所有能效標(biāo)準(zhǔn)。

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(tài)等保護措施。集成的725V/750V/900V額定電壓開關(guān)，可以為工業(yè)電源等不同高壓應(yīng)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(guān)。

首先，我們需要考慮一下為什么電源需要高達900V的GaN開關(guān)？這里推薦PI 技術(shù)外展總監(jiān)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(guān)上的電壓應(yīng)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(dāng)中的漏感儲能。上述3個電壓會疊加起來，構(gòu)成初級功率開關(guān)上的應(yīng)力。如圖1-3所示。

圖1-3 反激變換器中初級功率開關(guān)上的應(yīng)力構(gòu)成

對應(yīng)力構(gòu)成帶入數(shù)值進行分析，可以得到如圖1-4的結(jié)果。可以看到，在考慮20%安全設(shè)計余量的基礎(chǔ)上，初級功率開關(guān)的耐壓值需要達到860V。因此，900V耐壓的初級功率開關(guān)，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(guān)上的應(yīng)力數(shù)值分析

PI目前已經(jīng)有基于硅技術(shù)的900V耐壓的產(chǎn)品，但是由于硅晶體管的開關(guān)損耗較大，同時硅技術(shù)的晶圓尺寸較大，因此其功率等級大約限制在30W。對應(yīng)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(yè)、消費和商業(yè)應(yīng)用的發(fā)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(chǎn)品，完美填補了這一塊市場需求。

目前新能源汽車發(fā)展迅速，PI針對汽車應(yīng)用的AQ系列的INN3990CQ產(chǎn)品，也為這個領(lǐng)域帶來了一次創(chuàng)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(tǒng)未啟動時，為安全系統(tǒng)如門鎖、防盜等進行供電。目前的主要架構(gòu)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(tǒng)等負(fù)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(zhuǎn)換為12V電源軌，構(gòu)成一個虛擬的12V蓄電池。這樣帶來的顯著優(yōu)點有：效率高，顯著減重，該電源的性能也會優(yōu)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(shè)計

除產(chǎn)品外，PI開發(fā)的設(shè)計支持工具以及參考設(shè)計等也完善易用。PI Expert電源設(shè)計軟件可以根據(jù)用戶輸入?yún)?shù)自動生成電源方案，給出構(gòu)建和測試原型機的必要信息。針對典型的客戶應(yīng)用，PI通常都會提供相應(yīng)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(shè)計DER-953Q，如圖2-1所示。注意，當(dāng)前PI提供的實際參考設(shè)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(yīng)用。

DER-953Q有如下幾個特點：

1.超緊湊設(shè)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(huán)境溫度下運行；

4.使用汽車級AEC-Q標(biāo)貼元件；

5.增強型500V隔離變壓器，符合IEC-60664-1和IEC-60664-4標(biāo)準(zhǔn)。

圖2-1 DER-953Q參考設(shè)計

DER-953Q參考設(shè)計報告內(nèi)容詳盡，包含了設(shè)計規(guī)格、原理圖及說明、PCB、BOM、變壓器規(guī)格以及設(shè)計、性能數(shù)據(jù)、熱性能、波形等。以下，我們重點看下如下幾個部分。

DER-953Q設(shè)計規(guī)格如圖2-2所示?？梢钥吹?，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(tài)負(fù)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(nèi)的低壓負(fù)載供電。

圖2-2 DER-953Q設(shè)計規(guī)格

DER-953Q的功率級部分原理圖如圖2-3所示?？傮w來看，因為InnoSwitch3的高集成度，電路設(shè)計保持了PI一貫的簡潔設(shè)計風(fēng)格。

圖2-3 DER-953Q功率級電路圖

從高壓側(cè)看，變壓器的原邊連接到INN3990CQ高壓側(cè)功率開關(guān)，且具有RCD吸收電路來限制高壓FET關(guān)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(cè)看，INN3990CQ主要功能是電壓測量、電流測量以及SR FET的驅(qū)動。在本設(shè)計中，2顆MOSFET并聯(lián)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(lián)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(gòu)成基礎(chǔ)電壓反饋，ATL431部分電路構(gòu)成精確電壓調(diào)整（Precision Voltage Regulation, PVR）反饋。由于PI獨有的FluxLink反饋技術(shù)，可以直接測量低壓側(cè)電壓進行反饋，而不是傳統(tǒng)的通過光耦反饋的方式，可以極大提升低壓側(cè)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(fā)生時，電源有足夠的過載保護能力，從而保護電源及負(fù)載的使用安全。

DER-953Q采用了6層板設(shè)計，相關(guān)設(shè)計文件均可以在PI官網(wǎng)獲得。除元件BOM之外，PI還提供了本設(shè)計的變壓器設(shè)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(shù)據(jù)。

圖2-4展示了DER-953Q的效率表現(xiàn)，可以看到達到50%負(fù)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(xiàn)將會稍有提升。

圖2-4 不同輸入電壓下效率vs負(fù)載率（環(huán)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(yīng)力，溫度已經(jīng)達到124°C，已經(jīng)非常接近125°C的限制。這也部分是由于85度環(huán)境溫度的原因造成的。因此在用戶實際設(shè)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(yán)酷環(huán)境溫度要求的應(yīng)用，可以考慮將PCB板的熱量通過外加導(dǎo)熱墊的方式，將熱量傳導(dǎo)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(huán)境溫度85 °C）

圖2-6展示了INN3990CQ內(nèi)部高壓FET以及SR FET的電壓應(yīng)力?？梢钥吹?，在500V輸入電壓下，INN3990CQ內(nèi)部高壓FET應(yīng)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(xiàn)了900V耐壓的重要性。

圖2-6 電壓應(yīng)力（環(huán)境溫度85 °C）

圖2-7展示了DER-953Q的動態(tài)性能?？梢钥吹皆谌繙y試中，電壓變化不超過450mV(3.3% Vout)，說明其動態(tài)性能極佳。而在傳統(tǒng)方案或者初級穩(wěn)壓方式的方案當(dāng)中，需要使用很大容量的輸出電容來滿足動態(tài)負(fù)載變化引起的穩(wěn)壓精度的要求。對于具有快速響應(yīng)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(jié)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(fù)載變化響應(yīng)（環(huán)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(fù)載變化響應(yīng)的測試。

表2-8展示了DER-953Q輸出精度?？梢钥吹狡湄?fù)載調(diào)整率的表現(xiàn)極佳。

表2-8 電壓輸出精度（環(huán)境溫度25 °C）

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(fù)載下的紋波表現(xiàn)。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(huán)境溫度25°C）

圖2-10 380VDC輸入電壓下紋波（環(huán)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(fù)載變化下的輸出電壓變化?？梢钥吹?，最大的輸出電壓波動為435mV。

圖2-11 150VDC輸入電壓下對負(fù)載變化動態(tài)響應(yīng)（環(huán)境溫度25°C）

圖2-12 380VDC輸入電壓下對負(fù)載變化動態(tài)相應(yīng)（環(huán)境溫度25°C）

總結(jié)

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?？傮w來說，PI本次新品具備優(yōu)秀的性能指標(biāo)，同時官網(wǎng)還有豐富詳實的設(shè)計資源，便于用戶快速評估設(shè)計。相信這些新品會再次引領(lǐng)反激變換器設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)革新。給高輸入電壓的應(yīng)用及市場火爆的汽車電子應(yīng)用帶來新的選擇。

審核編輯：湯梓紅