使用GaN让大功率使用环境中的设备保持合适的温度

自从引入 USB-PD 规范及其演进以来，用于为从手机到笔记本电脑等日常电子设备供电的电源适配器的格局发生了巨大变化。虽然USB-PD确保了广泛的兼容性，但电源适配器设计变得更具挑战性：现在，电源适配器必须支持广泛的输出电压(与专用适配器的单一输出电压相反)。同时，最终用户对更轻、更小适配器的需求仍在继续。近年来引入了氮化镓功率开关来满足这些双重要求。

与硅器件相比，GaN 器件具有更低的传导和开关损耗，能够以更高的效率实现更高的开关频率操作，因此适配器更轻、更小。基于 GaN 器件的设计需要特别注意，因为栅极电压范围有限，并且栅极容易受到虚假开启和关闭的影响。然而，带有单片集成驱动器的GaN FET，例如Tagore Technology的 TP44x00NM 系列，除了节省空间外，还使实施变得稳健和容易。

虽然氮化镓设备能够实现更高的功率密度，但仍有一些系统级的问题需要解决，以实现高度可靠和有市场价值的适配器设计。每个电力电子工程师都知道，这些都围绕着热设计和电磁干扰合规。作为人类，当我们处于紧张的情况下时，我们会努力保持冷静和冷静。我们设计的电路也没有什么不同：适配器内的电子设备必须在我们放置它们的更紧密的空间中保持凉爽(显示低温上升)和平静(低发射噪音)。我们将在本文中介绍实现这些目标的技术。

热和电磁干扰挑战

热设计和电磁干扰设计方面的挑战对电源设计者来说并不新鲜。然而，随着氮化镓技术的空间，这些挑战变得加剧。特别关注 GaN 器件，GaN 器件的管芯尺寸远小于同等功率损耗性能硅器件的管芯尺寸。

此外，GaN 器件封装更小，需要采取特殊措施来限制芯片温度。即使 GaN 器件具有较低的损耗，增强的热管理挑战仍然存在。从 EMI 的角度来看，GaN 器件具有较低的寄生电容，因此它们倾向于以更快的上升沿和下降沿进行切换，这会导致谐波和 EMI 的产生。

此外，在密度更大的适配器中组件的紧密排列与实现低温上升和电磁干扰是相反的。更耗散部件和其他部件之间的近端加热会导致对其他部件的更高的温度额定要求。此外，适配器的全封闭包装提供了有限的散热选择。从EMI的角度来看，开关器件的接近性和较小的主-二次间距可能会导致交叉耦合和其他问题。尽管存在上述挑战，但设计师仍有一些技术可以提高热性能和电磁干扰性能。

散热解决方案

有效热管理背后的基本原则是以最有效的方式分配热量。这可以通过多种方式实现，包括组件的战略布局放置;通过添加铜层连接到散热元件来增加通过 PCB 的热扩散;外壳内表面镀铜;并使用导热间隙填充材料桥接 PCB 顶部和底部。

我们将以使用准谐振反激式 (QRF) 拓扑的 65 W 适配器设计为例来说明实现其中一些概念的方法。首先，应该认识到体积较大(约占适配器体积的15%)的输入电解滤波电容(EL cap)散发的热量很少。因此，有助于将 GaN 器件直接放置在电路板另一侧的 EL 帽下方。使用过孔和导热胶将热量传递到电路板的 EL 帽侧有很大帮助。类似的策略可以应用于 EMI 滤波电感器和其他耗散元件。

另一个有用的步骤是将输入桥式整流器(消耗 4.5% 的输出功率)移至子板。整流器组件的自热不会对适配器性能产生不利影响。然而，从整流器到 GaN 器件的热扩散会影响功率处理能力。最后，在组装之前，可以策略性地使用铜板将高耗散区域与低耗散区域连接起来，并尝试均衡适配器内的温度。

电磁干扰解决方案

EMI 解决方案包括传统方法，例如选择正确的频率、适当的布局、选择合适的 EMI 滤波器以及控制开关转换。QRF 拓扑允许更柔和的开启开关转换，这有助于降低 EMI。TP44x00NM 系列还允许控制栅极开启速度，从而提供额外的杠杆来限制 EMI。

这些微型适配器中的初级-次级电容要高得多，因为初级侧和次级侧之间的间距从通常的 8 毫米减小到更低的水平。这降低了共模阻抗，并导致初级和次级之间更高水平的耦合——用于散热的铜箔使这种现象变得更糟。最终的传导 EMI 合规性需要多项特殊措施。首先，共模 (CM) 扼流圈需要分成两个电感器(一个用于 1 MHz 的频率，另一个用于 1–30 MHz 的频率)，位于 X 电容器的任一侧并放置在交流侧。差模 (DM) 滤波器是将 DC 侧滤波器帽一分为二并在中间放置一个 DM 扼流圈而形成的 pi 型滤波器。最后，也是最关键的，Y 电容，受安全要求的限制，放置在两个位置。一个 (680 pF) 放置在 X 电容器和次级接地之间，另一个(也是 680 pF)放置在次级开关节点和初级接地之间。1.36 nF 的总值远低于 2.2 nF Y 电容器的限制 — 提供了一些设计余量。

最终结果：热和 EMI 改进

上述热和 EMI 改进措施在一个适配器中实施，然后将其与同样使用 GaN 技术的类似商用适配器进行比较。使用 TP44200NM 的适配器的热性能随着实施的改进更早稳定下来，最终温度比其他适配器至少低 10˚C。EMI 性能也优于市场采购的适配器，并在整个频谱范围内提供超过 10 dB 的限值余量。

结论

使用本文介绍的技术可以使基于 GaN 的适配器的实现更加稳健。通过更加关注元件选择、电路板布局和封装技术，GaN 和 GaN IC 的潜在性能优势得到进一步增强。当电气、热和 EMI 性能协调一致时，结果可能不仅是更凉爽(低温升)和更平静(低 EMI)的适配器，而且为设计团队带来更凉爽和更平静的专业体验。