TopSwitchGaN-Flyback-IC-Familie
Einfachere Alternative zum Resonanzwandler von Power Integrations
Sozusagen das Beste aus zwei Welten: Mit der TopSwitchGaN-Flyback-IC-Familie verbindet Power Integrations seine hauseigene PowiGaN-Technologie mit der bewährten TopSwitch-IC-Architektur.
Herausgekommen ist ein Bauteil, dass es nun ermöglicht, Resonanzwandler mit Ausgangsleistungen bis 440 W realisieren.
Entwickler bei Power Integrations haben einen Schritt vollzogen, der aus Sicht des Unternehmens wohl nur mehr als naheliegend war. Sie haben die PowiGaN-Technologie ihres Unternehmens mit der TopSwitch-IC-Architektur des Hauses verbunden. Herausgekommen ist dabei die neue TopSwitchGaN-Flyback-IC-Familie. Sie stellt einen wirklichen technischen Durchbruch dar, erweitert sie den Leistungsbereich von Fly-Back-Wandlern doch in Bereiche bis 440 W. Ein Leistungsbereich, der bislang nur mit komplexeren Resonanz- und LLC-Topologien zu erreichen war.
»Das ist wirklich mehr als nur eine neue Produktweiterentwicklung, es ist ein grundlegender Wandel in der Art und Weise, wie Entwickler das Design von Stromversorgungen angehen können«, freut sich Silvestro Fimiani, Leiter Produktmarketing bei Power Integrations, »seit Jahrzehnten mussten Entwickler mit steigender Leistungsaufnahme auf Resonanzschaltungen wie LLC zurückgreifen. Mit TopSwitchGaN erweitern wir nun den Einsatzbereich von Flyback-Schaltungen in einen Leistungsbereich, der bisher nicht möglich war, und ermöglichen Entwicklern, mit einer wesentlich einfacheren Architektur hohe Wirkungsgrade und hohe Leistungen zu erzielen«.
TopSwitch-GaN-ICs bieten Entwicklern einen Wirkungsgrad bis zu 92 Prozent und das über den gesamten Lastbereich von 10 bis 100 Prozent der Last. In der konkreten Anwendung würde somit eine TopSwitchGaN-Schaltung eine bessere Effizienz liefern, als eine LLC-Schaltung mit PFC. Zum Markteintritt der neuen Bauteilreihe ist diese wie erwähnt noch auf Ausgangsleistungen bis 440 W beschränkt. In Zukunft könnten nach Angaben des Unternehmens aber durchaus auch TopSwitchGaN-Flyback-ICs angeboten werden, die Ausgangsleistungen bis 1000 W ermöglichen würden. In ihrer aktuellen Ausführung erfüllen die ICs auf jeden Fall problemlos die europäischen ErP-Vorschriften (Energy-related Products), da ihre Leistungsaufnahme im Standby- und Aus-Modus unter 50 mW liegt. Ein Feature, dass die Bauelemente ohne synchrone Gleichrichtung erreichen.
Naturgemäß weisen PowiGaN-Schalter einen deutlich niedrigeren RDS(on)-Widerstand auf, als auf Silzium basierende Technologien. Dies hat geringere Leistungsverluste zur Folge, wodurch sich die Leistungsfähigkeit von Flyback-Wandlern deutlich erhöht. In die neuen Bauteile integriert sind 800-V-PowiGaN-Schalter, die sich durch eine sehr gute Stoßspannungsfestigkeit und geringe Schaltverluste auszeichnen. Aus diesem Grund können sie mit Schaltfrequenzen von bis zu 150 kHz betrieben werden, um dadurch die Größe der benötigten Transformatoren in der Schaltung zu minimieren.
Einschließlich Netzüberwachung liegt die Leerlaufleistung der TopSwitchGaN-Flyback-IC-Familie bei 230 V deutlich unter 50 mW. Bei einer Eingangsleistung von 300 mW bei 230 VAC stehen bis zu 210 mW Ausgangsleistung zur Verfügung, um die Verwaltungsfunktionen im Standby-Modus der Geräte aufrechtzuerhalten.
Power Integration hatte die TopSwitch-IC-Baureihe als Offline-Schalter in kompakten Gehäusen erstmals 1994 auf den Markt gebracht. Seither wurden Milliarden TopSwitch-ICs weltweit verkauft. »Techniker schätzen TopSwitch aufgrund seiner Effizienz und Benutzerfreundlichkeit seit Jahrzehnten«, so Fimiani, »und nun stehen diese Vorteile für eine noch größere Bandbreite an Designs zur Verfügung«. Mit TopSwitchGan sind Flyback-Architekturen mit Ausgangsleistungen von bis zu 440 W realisierbar. Ein bislang bei Flyback-Architekturen unerreichtes Niveau. Damit sind Flyback-Schaltungen ab sofort auch in Anwendungen einsetzbar, die bislang komplexeren Topologien vorbehalten waren.
Erhältlich sind die TopSwitchGaN-ICs in zwei Ausführungen: Für ultraflache Designs ermöglicht das niedrige eSOP-12-Gehäuse für die Oberflächenmontage eine Ausgangsleistung von 135 W (85 bis 265 VAC) ohne den Einsatz von Kühlkörpern, beispielsweise für die Verwendung in Haushaltsgeräten. Durch die vertikale Ausrichtung des eSIP-7-Gehäuses wird die Grundfläche auf der Leiterplatte deutlich minimiert, wobei die thermische Impedanz der eines Bauteils in einem TO-220-Gehäuse entspricht.
Durch die Montage eines Metallkühlkörpers mit einem einfachen Clip, lässt sich der Leistungsbereich für Anwendungen wie etwa Elektrowerkzeuge, E-Bikes und Garagentoröffner erweitern. Da die TopSwitchGaN-ICs pinkompatibel mit den Offline-Schalt-ICs der TinySwitch-5-Serie sind, können Entwickler nun die gleichen Designverfahren für Anwendungen im Leistungsbereich von 10 bis 440 W verwenden.
Zur Design-Unterstützung stehen drei Referenzdesign-Materialien zur Verfügung: DER-1079, dabei handelt es sich um einen Kit, der den TOP7074K zur Realisierung eines isolierten Flyback-Netzteils mit 60 W und großem Eingangsspannungsbereich für Haushaltsgeräte nutzt. Im Gegensatz dazu enthält das Kit DER-1019 ein isoliertes Flyback-Industrie-Netzteil mit 356 W Ausgangsleistung (89 V/4 A) das auf Basis des TOP7978E realisiert ist. Um ein E-Bike-Ladegerät-Kit in Form eines isolierten Flyback-Netzteils mit 168 W Ausgangsleistung und einem großen Spannungsbereich, das auf dem TOP7075E basiert handelt es sich schließlich beim RDK-1018. Bei Auftragsgrößen ab 10.000 Stück beginnen die Preise für die TopSwitchGaN-2-ICs bei 1 Dollar.
