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GaN-Chipsatz

Kompakte Sperrwandler mit hohem Wirkungsgrad

20. Oktober 2021, 12:54 Uhr | Von Chris Lee, Produktmarketingchef bei Power Integrations

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

InnoSwith4-CZ und ClampZero

Die Kombination aus InnoSwitch4-CZ und ClampZero-IC nutzt eine hochentwickelte, asymme-trische Steuerung der nicht komplementären aktiven Klemmschaltung mit intelligenter Null-spannungsschaltung, die sowohl diskontinuierliche als auch kontinuierliche Betriebsmodi erlaubt, was die Designflexibilität erhöht und den Wirkungsgrad über den gesamten Betriebsbereich maximiert. Die neuen Sperrwandler-ICs gewährleisten eine hervorragende CV/CC-Regelgenauigkeit, unabhängig von externen Bauteilen, und verbrauchen im Leerlauf bei aktiven Eingangsspannungsüberwachungs- und Schutzfunktionen weniger als 20 mW.

Die ICs der Familie InnoSwitch4-CZ vereinen in einem kompakten InSOP-24D-Gehäuse einen 750-V-Schalter, primär- und sekundärseitige Controller, eine ClampZero-Schnittstelle, einen Synchrongleichrichter und sicherheitsrelevante Feedback-Funktionen. Bei Volllast minimiert eine hohe Schaltfrequenz von bis zu 140 kHz im eingeschwungenen Zustand die Trafogröße und erhöht die Leistungsdichte.

Der InnoSwitch4-CZ/ClampZero-Chipsatz wurde für den Einsatz in hocheffizienten, kompakten USB-PD-Adaptern, AC/DC-Sperrwandler-Netzteilen mit hoher Leistungsdichte und hocheffizien-ten CV/CC-Stromversorgungen mit Ausgangsleistungen bis 110 W optimiert. InnoSwitch4-CZ-ICs unterstützen variable Ausgangsspannungs- und -stromprofile und sind vollständig geschützt, u.a. gegen Ausgangsüber- und -unterspannung, Eingangsunterspannung und Übertemperatur (hysteretisches Verhalten), jeweils mit Wahlmöglichkeit zwischen automatischem Wiederhochfahren oder dauerhafter Abschaltung.

Design-Beispiel

Entwickler können InnoSwitch4-CZ- und ClampZero-ICs mit der kürzlich von Power Integrations vorgestellten MinE-CAP-IC-Familie zu extrem kompakten Sperrwandler-Stromversorgungen kombinieren. MinE-CAP ist eine natürliche Ergänzung zu InnoSwitch4-CZ und ClampZero; es reduziert die Größe der Eingangskondensatoren drastisch, ohne die Ausgangswelligkeit oder den Wirkungsgrad zu beeinträchtigen oder ein Redesign des Transformators zu erfordern.

Im Vergleich zu herkömmlichen Techniken, wie z.B. dem Betrieb mit sehr hohen Schaltfrequenzen, erreicht MinE-CAP die gleiche oder sogar noch weitere Verkleinerung des Netzteils und vermeidet gleichzeitig die Herausforderungen einer komplexen EMV-Filterung und der erhöhten Transformator/Klemmen-Verlustleistung, die mit Designs mit sehr hohen Frequenzen verbunden sind. MinE-CAP steuert auch präzise den Einschaltstrom beim Anlegen der Eingangsspannung und macht damit verlustbehaftete NTCs oder große, träge Sicherungen überflüssig.

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Das Design-Beispiel DER-928 von Power Integrations (Bild 3) ist ein extrem kompaktes 60-W-USB-PD-3.0-Ladegerät für Mobiltelefone und Laptop Computer. Hier die wichtigsten Eigenschaften:

InnoSwitch4-CZ-IC mit Hochspannungs-PowiGaN-Schalter (INN4073C) für Sperrwandler mit aktiver Klemmschaltung
Aktive-Klemmschaltung-IC ClampZero (CZ1062M)
MinE-CAP-IC für Miniaturisierung des Zwischenkreiskondensators (MIN1072M)
Eingangsspannungsbereich: 90 V – 265 V AC
USB-C-PD-Ausgänge: 5 V/3 A; 9 V/3 A; 15 V/3 A; 20 V/3 A

Entwickler können die Spitzen-Ausgangsleistung dieses Designs auf 90 W erhöhen, indem sie den 100-µF-Zwischenkreiskondensator durch einen 130-µF-Typ ersetzen. Weitere Leistungsmerkmale:

Die Energieeffizienz-Anforderungen von DOE6 und CoC v5 2016 werden problemlos erfüllt oder übertroffen
Ausgangsüberspannungs- und Überstromschutz
Integrierter Übertemperaturschutz
<60 mW Leerlauf-Leistungsaufnahme, 20 mW für Mikrocontroller
Kompaktes Design mit hoher Leistungsdichte: 30,3 W/in³ ohne Gehäuse (60 W, 4,5 cm × 4,5 cm × 1,6 cm)

Der InnoSwitch4-CZ/ClampZero-Ansatz umfasst Chipsätze für Ausgangsleistungen von 65 W bis 110 W. Er kann sowohl in Adaptern eingesetzt wie auch als Open-Frame Design verwendet werden und unterstützt Eingangsspannungen von 85 bis 264 V AC und (in Verbindung mit externer Leistungsfaktorkorrektur) 385 V AC Eingangsspannung.

Zusammenfassung

Der InnoSwitch4-CZ/ClampZero-Chipsatz von Power Integrations ermöglicht die Entwicklung von Ladegeräten mit Ausgangsleistungen bis 110 W und extrem hoher Leistungsdichte für Mobiltelefone, Tablets und Laptops – Designs, die bisher nicht möglich waren. Die InnoSwitch4-CZ-ICs zielen auf hocheffiziente, kompakte USB-PD-Adapter und hocheffiziente CV/CC-Stromversorgungen ab und bieten variable Ausgangsspannungs- und Konstantstromprofile. Sie verbrauchen im Leerlauf (bei aktiven Überwachungs- und Schutzfunktionen) weniger als 30 mW und haben einen Wirkungsgrad von bis zu 95 Prozent, der sich über die gesamten Netzspannungs-, Last- und Ausgangsspannungsbereiche kaum ändert.