自從引入 USB-PD 規(guī)范及其演進以來，用于為從手機到筆記本電腦等日常電子設備供電的電源適配器的格局發(fā)生了巨大變化。雖然USB-PD確保了廣泛的兼容性，但電源適配器設計變得更具挑戰(zhàn)性：現在，電源適配器必須支持廣泛的輸出電壓(與專用適配器的單一輸出電壓相反)。同時，最終用戶對更輕、更小適配器的需求仍在繼續(xù)。近年來引入了氮化鎵功率開關來滿足這些雙重要求。

與硅器件相比，GaN 器件具有更低的傳導和開關損耗，能夠以更高的效率實現更高的開關頻率操作，因此適配器更輕、更小?；?GaN 器件的設計需要特別注意，因為柵極電壓范圍有限，并且柵極容易受到虛假開啟和關閉的影響。然而，帶有單片集成驅動器的GaN FET，例如Tagore Technology的 TP44x00NM 系列，除了節(jié)省空間外，還使實施變得穩(wěn)健和容易。

雖然氮化鎵設備能夠實現更高的功率密度，但仍有一些系統級的問題需要解決，以實現高度可靠和有市場價值的適配器設計。每個電力電子工程師都知道，這些都圍繞著熱設計和電磁干擾合規(guī)。作為人類，當我們處于緊張的情況下時，我們會努力保持冷靜和冷靜。我們設計的電路也沒有什么不同：適配器內的電子設備必須在我們放置它們的更緊密的空間中保持涼爽(顯示低溫上升)和平靜(低發(fā)射噪音)。我們將在本文中介紹實現這些目標的技術。

熱和電磁干擾挑戰(zhàn)

熱設計和電磁干擾設計方面的挑戰(zhàn)對電源設計者來說并不新鮮。然而，隨著氮化鎵技術的空間，這些挑戰(zhàn)變得加劇。特別關注 GaN 器件，GaN 器件的管芯尺寸遠小于同等功率損耗性能硅器件的管芯尺寸。

此外，GaN 器件封裝更小，需要采取特殊措施來限制芯片溫度。即使 GaN 器件具有較低的損耗，增強的熱管理挑戰(zhàn)仍然存在。從 EMI 的角度來看，GaN 器件具有較低的寄生電容，因此它們傾向于以更快的上升沿和下降沿進行切換，這會導致諧波和 EMI 的產生。

此外，在密度更大的適配器中組件的緊密排列與實現低溫上升和電磁干擾是相反的。更耗散部件和其他部件之間的近端加熱會導致對其他部件的更高的溫度額定要求。此外，適配器的全封閉包裝提供了有限的散熱選擇。從EMI的角度來看，開關器件的接近性和較小的主-二次間距可能會導致交叉耦合和其他問題。盡管存在上述挑戰(zhàn)，但設計師仍有一些技術可以提高熱性能和電磁干擾性能。

散熱解決方案

有效熱管理背后的基本原則是以最有效的方式分配熱量。這可以通過多種方式實現，包括組件的戰(zhàn)略布局放置;通過添加銅層連接到散熱元件來增加通過 PCB 的熱擴散;外殼內表面鍍銅;并使用導熱間隙填充材料橋接 PCB 頂部和底部。

我們將以使用準諧振反激式 (QRF) 拓撲的 65 W 適配器設計為例來說明實現其中一些概念的方法。首先，應該認識到體積較大(約占適配器體積的15%)的輸入電解濾波電容(EL cap)散發(fā)的熱量很少。因此，有助于將 GaN 器件直接放置在電路板另一側的 EL 帽下方。使用過孔和導熱膠將熱量傳遞到電路板的 EL 帽側有很大幫助。類似的策略可以應用于 EMI 濾波電感器和其他耗散元件。

另一個有用的步驟是將輸入橋式整流器(消耗 4.5% 的輸出功率)移至子板。整流器組件的自熱不會對適配器性能產生不利影響。然而，從整流器到 GaN 器件的熱擴散會影響功率處理能力。最后，在組裝之前，可以策略性地使用銅板將高耗散區(qū)域與低耗散區(qū)域連接起來，并嘗試均衡適配器內的溫度。

電磁干擾解決方案

EMI 解決方案包括傳統方法，例如選擇正確的頻率、適當的布局、選擇合適的 EMI 濾波器以及控制開關轉換。QRF 拓撲允許更柔和的開啟開關轉換，這有助于降低 EMI。TP44x00NM 系列還允許控制柵極開啟速度，從而提供額外的杠桿來限制 EMI。

這些微型適配器中的初級-次級電容要高得多，因為初級側和次級側之間的間距從通常的 8 毫米減小到更低的水平。這降低了共模阻抗，并導致初級和次級之間更高水平的耦合——用于散熱的銅箔使這種現象變得更糟。最終的傳導 EMI 合規(guī)性需要多項特殊措施。首先，共模 (CM) 扼流圈需要分成兩個電感器(一個用于 1 MHz 的頻率，另一個用于 1–30 MHz 的頻率)，位于 X 電容器的任一側并放置在交流側。差模 (DM) 濾波器是將 DC 側濾波器帽一分為二并在中間放置一個 DM 扼流圈而形成的 pi 型濾波器。最后，也是最關鍵的，Y 電容，受安全要求的限制，放置在兩個位置。一個 (680 pF) 放置在 X 電容器和次級接地之間，另一個(也是 680 pF)放置在次級開關節(jié)點和初級接地之間。1.36 nF 的總值遠低于 2.2 nF Y 電容器的限制 — 提供了一些設計余量。

最終結果：熱和 EMI 改進

上述熱和 EMI 改進措施在一個適配器中實施，然后將其與同樣使用 GaN 技術的類似商用適配器進行比較。使用 TP44200NM 的適配器的熱性能隨著實施的改進更早穩(wěn)定下來，最終溫度比其他適配器至少低 10?C。EMI 性能也優(yōu)于市場采購的適配器，并在整個頻譜范圍內提供超過 10 dB 的限值余量。

結論

使用本文介紹的技術可以使基于 GaN 的適配器的實現更加穩(wěn)健。通過更加關注元件選擇、電路板布局和封裝技術，GaN 和 GaN IC 的潛在性能優(yōu)勢得到進一步增強。當電氣、熱和 EMI 性能協調一致時，結果可能不僅是更涼爽(低溫升)和更平靜(低 EMI)的適配器，而且為設計團隊帶來更涼爽和更平靜的專業(yè)體驗。