Cómo utilizar los conmutadores de GaN integrados para obtener fuentes de alimentación fuera de línea rentables y de alta eficiencia

La gama de aplicaciones de las fuentes de alimentación compactas de 100 vatios sigue aumentando, desde cargadores y adaptadores CA-CC, cargadores USB power delivery (PD) y adaptadores de carga rápida (QC), hasta iluminación LED, electrodomésticos, accionamientos de motor, contadores inteligentes y sistemas industriales. Para los diseñadores de estas fuentes de alimentación flyback fuera de línea, el reto es garantizar la resistencia y la fiabilidad y, al mismo tiempo, seguir bajando el costo, mejorar la eficiencia y reducir el factor de forma para conseguir una mayor densidad de potencia.

Para resolver muchos de estos problemas, los diseñadores pueden sustituir los interruptores de potencia de silicio (Si) por dispositivos basados en tecnologías de banda ancha (WBG) como el nitruro de galio (GaN). Esto se traduce directamente en una mayor eficiencia de la fuente de alimentación y una menor necesidad de disipación térmica, lo que permite una mayor densidad de potencia. Sin embargo, en comparación con el Si, los interruptores de GaN son más difíciles de manejar.

Los diseñadores pueden superar los problemas asociados a las velocidades de conmutación rápidas, como la inductancia y la capacitancia parásitas y las oscilaciones de alta frecuencia, pero hacerlo requiere más tiempo y costos de desarrollo. En su lugar, los diseñadores pueden recurrir a los circuitos integrados de conmutación flyback fuera de línea altamente integrados con dispositivos de alimentación internos de GaN.

En este artículo se analizan brevemente las ventajas del GaN y sus retos de diseño. A continuación, presenta tres plataformas de CI de conmutadores flyback fuera de línea integrados con conmutadores de potencia de GaN internos de Power Integrations y muestra cómo pueden utilizarse para producir diseños de convertidores de potencia de alta eficiencia. Se habla de la miniaturización de los condensadores a granel MinE-CAP y de los circuitos integrados de gestión de la irrupción, así como de un útil entorno de diseño en línea.

¿Qué es el GaN y qué tiene de bueno?

El GaN es un material semiconductor WBG que, comparado con el Si, tiene una baja resistencia al encendido, una alta resistencia a la rotura, una rápida velocidad de conmutación y una alta conductividad térmica. El uso de GaN en lugar de Si permite fabricar interruptores con pérdidas de conmutación mucho menores durante el encendido y el apagado. Además, los dispositivos de GaN con una resistencia de encendido equivalente son mucho más pequeños que sus homólogos de Si. Como resultado, para un tamaño de matriz determinado, un interruptor de potencia de GaN tiene menores pérdidas de conducción y de conmutación combinadas (Figura 1).

Figura 1: Para un tamaño de matriz determinado, los dispositivos de GaN tienen una menor resistencia de encendido, lo que conlleva menores pérdidas totales, en comparación con los MOSFET de Si. (Fuente de la imagen: Power Integrations)

Aunque el GaN tiene claras ventajas, su diseño puede resultar complicado. Por ejemplo, debido a las velocidades de conmutación extremadamente rápidas de los dispositivos GaN, los diseños de los circuitos de accionamiento pueden ser muy sensibles a las inductancias y capacitancias parásitas de la placa de circuito impreso y de los paquetes discretos de GaN. Las rápidas oscilaciones de tensión (dv/dt) y las oscilaciones de alta frecuencia que pueden producirse al accionar los dispositivos GaN crean más interferencias electromagnéticas (EMI) que deben filtrarse para evitar una reducción de la eficiencia del convertidor. Además, la rápida conmutación de los dispositivos de GaN dificulta su protección frente a las condiciones de fallo, ya que pueden dañar los dispositivos más rápido de lo que pueden reaccionar los circuitos de protección.

Simplicidad sin sacrificar el rendimiento

Power Integrations ha abordado estas complejidades con sus circuitos integrados de conmutación InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP e InnoSwitch3-Pro PowiGaN casi resonantes (Figura 2). PowiGaN es la tecnología de conmutación de potencia de GaN desarrollada internamente por Power Integrations, que sustituye a los transistores de silicio tradicionales en el lado primario de los CI de conmutación flyback fuera de línea InnoSwitch3. En cambio, integra los circuitos primario, secundario y de retroalimentación en un único encapsulado InSOP-24D de dispositivo de montaje superficial (SMD). De este modo, los dispositivos reducen la complejidad del diseño de los controladores y la generación de EMI, al tiempo que reducen las pérdidas de conducción y conmutación, lo que permite que los adaptadores y cargadores sean más eficientes, ligeros y pequeños, así como las fuentes de alimentación de bastidor abierto.

Este enfoque permite a los diseñadores de fuentes de alimentación centrarse en el suministro de energía, el rendimiento térmico, los factores de forma y otras consideraciones de aplicación sin distraerse de la difícil tecnología GaN.

Figura 2: Los circuitos integrados de conmutación flyback fuera de línea InnoSwitch3 con interruptores de GaN se suministran en un encapsulado InSOP-24D que ahorra espacio. (Fuente de la imagen: Power Integrations)

Las tres familias de InnoSwitch3 con tecnología PowiGaN están optimizadas para clases específicas de aplicaciones:

• InnoSwitch3-CP es para aplicaciones como la carga de baterías que pueden beneficiarse de un perfil de potencia constante.
• InnoSwitch3-EP es para fuentes de alimentación CA-CC de marco abierto en una serie de aplicaciones industriales y de consumo.
• Los dispositivos InnoSwitch3-Pro incluyen una interfaz digital I²C para el control por software de los valores de consigna de tensión constante (CV) y corriente constante (CC), opciones de modo de seguridad y gestión de excepciones.

Los circuitos integrados InnoSwitch3 cuentan con un control casi resonante, una eficiencia de hasta el 95% en todo el rango de carga, admiten salidas precisas de CV, CC y potencia constante (CP) para satisfacer una gran variedad de demandas de aplicaciones, e incluyen tecnología de detección de corriente sin pérdidas. Esto último elimina la necesidad de utilizar resistencias externas de detección de corriente que reducen la eficiencia, y que incluso pueden superar la resistencia de muchos interruptores de GaN en diseños discretos.

Otras características clave de los conmutadores son la detección del lado secundario, un controlador dedicado para un MOSFET de rectificación sincrónica, la conexión de retroalimentación de acoplamiento inductivo FluxLink integrada entre los controladores del lado primario y del lado secundario con un aislamiento de corriente alterna (VCA) de más de 4,000 voltios, el cumplimiento de los requisitos globales de eficiencia energética, el bajo nivel de EMI, la seguridad y el cumplimiento de la normativa (homologación de seguridad UL1577 y TUV (EN60950 y EN62368)) y la respuesta transitoria instantánea para pasos de carga del 100%.

Conmutadores flyback CV/CC QR controlados digitalmente fuera de línea

Los diseñadores de cargadores de baterías multiquímicos y multiprotocolo, balastos LED CV y CC ajustables, fuentes de alimentación programables (PPS) USB PD 3.0+ de alta eficiencia, adaptadores QC y aplicaciones similares pueden beneficiarse del uso de los CI InnoSwitch3-Pro totalmente programables, incluidos los INN3378C, INN3379C e INN3370C, que pueden utilizarse en adaptadores CA-CC que suministran hasta 90 vatios, y fuentes de alimentación CA-CC de bastidor abierto de hasta 100 vatios (Tabla 1). Estos dispositivos también son útiles cuando se necesita un control fino de la corriente de salida y el ajuste de la tensión (se admiten pasos de 10 milivoltios (mV) y 50 miliamperios (mA)).

Tabla 1: Los CI InnoSwitch3-Pro están clasificados para funcionar con una entrada de 230 VCA ±15% y una entrada de 85 a 265 VCA. (Fuente de la tabla: Power Integrations)

La interfaz I²C de los dispositivos InnoSwitch3-Pro simplifica el desarrollo y la producción de fuentes de alimentación totalmente programables (Figura 4). Permite el control dinámico de la corriente y la tensión de salida. Se puede utilizar para configurar la fuente de alimentación, los puntos de ajuste de control CV, CC y CP, los ajustes de protección, como los umbrales de sobretensión y subtensión, y gestionar la notificación de fallos. La alimentación integrada de 3.6 voltios puede utilizarse para alimentar un microcontrolador externo (MCU). Además, el consumo de energía en vacío de <30 milivatios (mW) (incluyendo la línea de detección y la MCU) cumple con todos los requisitos globales de eficiencia energética.

Figura 3: Los CI InnoSwitch3-Pro incluyen una interfaz I²C para el control y la monitorización digital completa, y una fuente de alimentación integrada de 3.6 voltios (uVCC) para alimentar una MCU externa. (Fuente de la imagen: Power Integrations)

Soluciones configurables por hardware

Para las aplicaciones que no requieren programabilidad o monitorización digital, Power Integrations ofrece las familias InnoSwitch3-CP (Figura 5) y -EP de soluciones configurables por hardware. Al igual que el InnoSwitch3-Pro, los dispositivos InnoSwitch3-CP e InnoSwitch-EP incluyen controladores primarios y secundarios y un aislamiento reforzado con capacidad de >4000 VCA en un solo CI. Las funciones de protección incluyen la limitación de la sobretensión y la sobrecorriente de salida, la protección contra la sobretensión y la subtensión de la línea de CA y la desconexión por sobretemperatura. Los dispositivos se caracterizan por su alta inmunidad al ruido, lo que permite diseños que cumplen los niveles de rendimiento de la norma EN61000-4 clase "A".

Figura 4: Se muestra el InnoSwitch3-CP en una aplicación típica con la conexión de retroalimentación de acoplamiento inductivo FluxLink (línea discontinua) entre los controladores del lado primario y secundario. (Fuente de la imagen: Power Integrations)

Los diseñadores de convertidores flyback de alta eficiencia de hasta 100 vatios, para aplicaciones como USB PD, adaptadores QC y aplicaciones similares, pueden beneficiarse del uso de dispositivos InnoSwitch3-CP como el INN3278C, INN3279C e INN3270C (Tabla 2). Estos circuitos integrados de conmutación QR presentan modos CV y CC con perfiles de potencia constante, y admiten combinaciones estándar de enclavamiento y reinicio automático. La compensación de la caída del cable es una característica opcional.

Tabla 2: Valores de potencia de la familia InnoSwitch3-CP para diseños de adaptador y de bastidor abierto. (Fuente de la tabla: Power Integrations)

Para aplicaciones como contadores de servicios públicos, fuentes de alimentación industriales y de redes inteligentes, energía de reserva y de polarización para electrodomésticos, productos de consumo y computadoras que no utilizan un funcionamiento de potencia constante, los diseñadores pueden seleccionar entre los dispositivos InnoSwitch3-EP como el INN3678C, el INN3679C y el INN3670C (Tabla 3).

Tabla 3: Los CI de InnoSwitch3-EP tienen una potencia nominal de 230 VCA ±15% y una potencia reducida con un amplio rango de entrada de 85 a 265 VCA. (Fuente de la tabla: Power Integrations)

Los dispositivos InnoSwitch3-EP admiten una buena regulación cruzada de varias salidas. El sentido de la corriente de salida es ajustable con una resistencia externa, mientras que el rendimiento CV/CC es muy preciso e independiente de cualquier componente externo. Estos circuitos integrados de conmutación flyback QR están disponibles con protección de subtensión de salida de reinicio automático opcional y pueden pedirse con opciones de entrega de potencia estándar o de pico.

Miniaturización de los condensadores a granel y gestión de la corriente de entrada

Para reducir aún más el número de componentes y mejorar el rendimiento de las fuentes de alimentación de CA-CC, los diseñadores que utilicen un CI PowiGaN InnoSwitch3 también pueden utilizar el CI complementario de miniaturización de condensadores a granel y gestión de irrupciones para diseños de muy alta densidad de potencia (Figura 8). MinE-CAP puede reducir el volumen de los condensadores de entrada hasta un 50%, y elimina la necesidad de un termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC) limitador de la corriente de entrada. El uso de MinE-CAP también reduce las tensiones en el puente rectificador de entrada y en el fusible, lo que mejora la fiabilidad de la fuente de alimentación.

Figura 5: El CI de miniaturización de condensadores a granel y gestión de irrupciones MinE-CAP es un complemento natural de los CI de conmutación flyback offline InnoSwitch3 en fuentes de alimentación de CA-CC de alta densidad. (Fuente de la imagen: Power Integrations)

Al igual que los circuitos integrados InnoSwitch3, el MinE-CAP aprovecha el pequeño tamaño y la baja resistencia de los dispositivos PowiGaN para ofrecer un mayor rendimiento del sistema. MinE-CAP conecta y desconecta automáticamente segmentos de la red de condensadores a granel en función de las condiciones de tensión de la línea de CA. Esto permite a los diseñadores utilizar el condensador más pequeño (_CHV en la Figura 8) para el funcionamiento con alta tensión de línea de CA, mientras que se coloca la mayor parte del almacenamiento de energía en condensadores de menor tensión (_CLV) para su uso en condiciones de línea baja. Dado que los condensadores de baja tensión son significativamente más pequeños que los de alta tensión, el uso de MinE-CAP reduce el tamaño total de los condensadores de entrada a granel sin reducir la eficiencia, sin aumentar la ondulación de salida y sin requerir un rediseño del transformador de potencia.

El uso de MinE-CAP reduce el tamaño de las fuentes de alimentación con la misma eficacia que el aumento de la frecuencia de conmutación para reducir el tamaño del transformador. Las soluciones MinE-CAP utilizan menos componentes y eliminan los problemas de diseño de alta frecuencia, como el aumento de la disipación de los transformadores/abrazaderas y una mayor EMI.

Herramientas de diseño en línea

Power Integrations también ofrece PI Expert para acelerar el diseño de fuentes de alimentación CA-CC flyback fuera de línea utilizando la línea de CI de conmutadores flyback fuera de línea e integrados PowiGaN InnoSwitch3. Construido en torno a una interfaz gráfica de usuario (GUI) automatizada, PI Expert utiliza las especificaciones de la fuente de alimentación para generar automáticamente una solución de conversión de energía. Proporciona a los diseñadores todos los detalles necesarios para construir y probar un prototipo de convertidor de potencia. Con PI Expert, los diseñadores pueden realizar un diseño completo en minutos.

El diseño con los CI InnoSwitch3 basados en PowiGaN es el mismo que el de los dispositivos InnoSwitch3 basados en Si. PI Expert funciona de la misma manera cuando se optimiza la frecuencia de conmutación, el filtrado EMI, el diseño del transformador, la polarización y la rectificación sincrónica para dispositivos PowiGaN y Si. La herramienta implementa automáticamente los cambios necesarios para adaptarse a la mayor potencia de los diseños basados en PowiGaN. La herramienta produce un esquema de circuito interactivo, una lista de materiales completa, parámetros eléctricos detallados y recomendaciones para el diseño de la placa de circuito impreso. Los resultados también incluyen un diseño magnético completo con el tamaño del núcleo, el grosor del hilo, el número de hilos paralelos, el número de vueltas en cada bobinado y las instrucciones de bobinado para el montaje mecánico.

Conclusión:

Los diseñadores necesitan aumentar la densidad de potencia, disminuir el costo y reducir el tiempo de desarrollo de las fuentes de alimentación de 100 vatios fuera de línea para aplicaciones que van desde cargadores y adaptadores de CA-CC hasta sistemas industriales. El uso de la tecnología GaN WGB puede ayudar, pero el diseño con GaN requiere una cuidadosa atención a la disposición de la placa y a otros problemas asociados con la conmutación de alta velocidad.

Como se ha demostrado, un enfoque más integrado basado en los circuitos integrados de conmutación flyback InnoSwitch3 QR permite a los diseñadores desarrollar convertidores de potencia elegantes y de alta eficiencia que ofrecen las ventajas de rendimiento de los conmutadores GaN, al tiempo que se reducen los riesgos normalmente asociados a la adopción de una nueva tecnología.

Utilizando el InnoSwitch3, combinado con el CI de gestión de corriente de irrupción y miniaturización de condensadores a granel MinE-CAP de Power Integrations, así como con las herramientas de diseño en línea PI Expert de la empresa, los diseñadores pueden implementar más rápidamente fuentes de alimentación compactas, resistentes y rentables con un bajo número de componentes que cumplen los estándares de eficiencia globales.

Lecturas recomendadas

1. Construir un conmutador CA/CC es fácil con PI Expert