電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/莫婷婷）自1998年以來(lái)，Power Integrations（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PI）標(biāo)志性的TOPSwitch產(chǎn)品在過(guò)去的二十多年里，已經(jīng)進(jìn)入各種家電產(chǎn)品中。數(shù)據(jù)顯示，全球每個(gè)普通家庭平均擁有兩顆TOPSwitch芯片。這款集成度極佳的反激式開(kāi)關(guān)IC，奠定了PI離線式電源設(shè)計(jì)的基石。

隨著不斷的技術(shù)迭代，PI在近期推出TOPSwitchGaN?反激式IC系列產(chǎn)品，結(jié)合了PowiGaN?氮化鎵技術(shù)與TOPSwitch架構(gòu)，將反激式電源轉(zhuǎn)換器的功率范圍擴(kuò)展至 440W，更在許多高功率應(yīng)用場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)了無(wú)需散熱片的設(shè)計(jì)，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)，縮短了設(shè)計(jì)周期，并降低了總成本。


不再受限于250W功率瓶頸，空載功耗<50mW
在電源設(shè)計(jì)中，功率密度與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇始終是一道難題。PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan表示，基于傳統(tǒng)硅MOSFET的反激方案，受限于開(kāi)關(guān)損耗和熱管理，其功率輸出通常被限制在250W以?xún)?nèi)。

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為了突破功率瓶頸，工程師們?cè)谶^(guò)去幾十年間主要依賴(lài)三種方案：

一是基于FET的反激方案：通常用于20W-200W范圍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但功率受限。例如PI此前發(fā)布的TinySwitch 5集成了725V 功率MOSFET，輸出功率提升到200W。

二是當(dāng)輸出功率大于250W后，就會(huì)采用半橋電路，雖然功率提升，但元件數(shù)增多，設(shè)計(jì)復(fù)雜。

三是諧振變換器（如LLC）：用于更高效率或更高功率需求，但成本高昂且控制復(fù)雜，且有散熱挑戰(zhàn)。

GaN技術(shù)的出現(xiàn)拓展了反激式電源的功率范圍，PI最新的TOPSwitchGaN IC通過(guò)集成800V PowiGaN開(kāi)關(guān)，將反激拓?fù)涞墓β史秶鷶U(kuò)展到了400W以上。這意味著，原本必須采用半橋或LLC諧振拓?fù)涞母吖β蕬?yīng)用，現(xiàn)在僅需一顆IC即可解決。

Jason Yan介紹，TOPSwitchGaN IC有以下五大核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

一是集成了800V PowiGaN開(kāi)關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)極致的熱管理。傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)反激拓?fù)湓诟吖β氏聲?huì)產(chǎn)生巨大的開(kāi)關(guān)損耗，TOPSwitchGaN利用氮化鎵極低的開(kāi)關(guān)損耗特性，可以做到50W至200W的功率段，客戶可以選擇無(wú)散熱片的設(shè)計(jì)。

在300W-400W的高功率段，可以采用PCB散熱方式或安裝散熱片進(jìn)行散熱。eSOPTM-12封裝采用薄型表面貼裝的封裝型式，適合超薄設(shè)計(jì)，支持波峰焊或回流焊，通過(guò)源極引腳和裸焊盤(pán)，利用PCB板進(jìn)行散熱；eSIPTM-7封裝是立式封裝形式，使用夾片可簡(jiǎn)化散熱片的安裝，可提供更大輸出功率。

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二是專(zhuān)有的控制方式，可以實(shí)現(xiàn)230VAC、160W負(fù)載時(shí)效率達(dá)92.8%。相比舊款 TOPSwitch的空載功耗約 80-100mW，控制電流為毫安級(jí)，新款芯片結(jié)合控制器革新，將空載功耗降低至 50mW 以下。此外通過(guò)導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)技術(shù) ，提高了低輸入電 壓情況下的功率輸出能力，以及故障檢測(cè)等特點(diǎn)。

三是TOPSwitchGaN IC的開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)150kHz，這一設(shè)計(jì)為工程師提供了極大的設(shè)計(jì)裕量。在EMI（電磁干擾）與變壓器尺寸之間，工程師可以根據(jù)需求靈活進(jìn)行權(quán)衡，既可以選擇小體積的高頻設(shè)計(jì)，也可以選擇EMI更易處理的低頻設(shè)計(jì)。

四是快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面，TOPSwitchGaN IC采用傳統(tǒng)的二極管整流，因?yàn)?a target="_blank">同步整流的優(yōu)勢(shì)不明顯針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景（如高電壓、小電流或?qū)Τ杀久舾械膽?yīng)用）優(yōu)勢(shì)不夠明顯。沿用成熟的光耦反饋方式，并且在內(nèi)部進(jìn)行了優(yōu)化。

五是芯片內(nèi)部集成了高壓電流源供電技術(shù)，無(wú)需外圍啟動(dòng)元件，利用漏極電流源即可啟動(dòng)，極大地簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

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與LLC諧振變換器效率隨負(fù)載劇烈波動(dòng)不同，TOPSwitchGaN IC能夠在整個(gè)負(fù)載范圍（10%—100%）內(nèi)保持效率恒定，變化幅度小于1%。此外，其輸出電壓精度可達(dá)±0.5%，這意味著在批量生產(chǎn)中，產(chǎn)線的一致性極佳，通常無(wú)需額外增加二次穩(wěn)壓電路，從而降低了系統(tǒng)成本。


效率可達(dá)92%，碾壓LLC+PFC
隨著電動(dòng)自行車(chē)、無(wú)人機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的普及，市場(chǎng)對(duì)50W至400W功率段的電源需求激增。特別是電動(dòng)自行車(chē)領(lǐng)域，為了增加續(xù)航里程，電池容量和母線電壓不斷提升，這就要求充電器必須具備更高的功率密度和更寬的輸出電壓范圍。

在這一功率段，LLC諧振變換器長(zhǎng)期以來(lái)被視為“高效率”的代名詞。然而，TOPSwitchGaN IC的出現(xiàn)，重新定義了這一領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)格局。

反激式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件數(shù)目少，只需要一個(gè)功率開(kāi)關(guān)，無(wú)需PFC變換級(jí)，簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)多路輸出的設(shè)計(jì)，只不過(guò)輸出功率受到初級(jí)開(kāi)關(guān)的限制，適用于低至中功率應(yīng)用。

LLC屬于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，雖然在固定電壓下效率極高，但它需要兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，且必須配合PFC級(jí)和輔助供電電源使用。其設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，且對(duì)元件參數(shù)極其敏感，適合單路輸出。

而在實(shí)際工程應(yīng)用中，TOPSwitchGaN IC的綜合效率已可超越配備PFC級(jí)的LLC變換器。Jason Yan給出一組對(duì)比數(shù)據(jù)：

無(wú)前級(jí)PFC的LLC方案雖然在高輸入電壓（如 230VAC 以上）時(shí)，其效率略高于 TOPSwitchGaN，但其在低輸入電壓（如 90VAC - 115VAC）下無(wú)法正常工作。

LLC+PFC完整方案一旦計(jì)入 PFC 級(jí)的損耗（95% x 97% 的級(jí)聯(lián)效率），LLC 方案的整體系統(tǒng)效率會(huì)大幅下降，甚至在大部分電壓范圍內(nèi)都低于 TOPSwitchGaN 方案。

而TOPSwitchGaN IC方案在整個(gè)交流輸入電壓范圍（90VAC 至 265VAC）內(nèi)，效率呈現(xiàn)出隨電壓升高而穩(wěn)步提升的趨勢(shì)，并在 230VAC 和 265VAC 時(shí)達(dá)到92%。

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目前，PI已經(jīng)打造了覆蓋20W到400W功率段的完整解決方案。

20W - 50W的低功率段可以使用TinySwitch 1-4系列，適合對(duì)成本敏感且功率要求不高的應(yīng)用。

50W - 200W中功率交叉段有較多的選擇，如果工程師偏向追求極致的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，無(wú)散熱片設(shè)計(jì)，可以使用TOPSwitchGaN，如果是成本敏感型或傳統(tǒng)設(shè)計(jì)可以使用TinySwitch-5，但是在100W-200W功率段工作，須外接散熱片。

那在200W - 400W的高功率階段就可以使用TOPSwitchGaN。且采用了GaN器件之后，電源的魯棒性會(huì)更好，更容易耐受過(guò)壓沖擊。

長(zhǎng)期以來(lái)，50W至400W的高功率電源市場(chǎng)主要由半橋和LLC諧振拓?fù)渲鲗?dǎo)，但這些方案元件繁多、設(shè)計(jì)復(fù)雜且成本高昂。PI發(fā)布的TOPSwitchGaN IC系列產(chǎn)品，憑借集成的PowiGaN氮化鎵技術(shù)，不僅填補(bǔ)了傳統(tǒng)反激與復(fù)雜諧振電路之間的市場(chǎng)空白，也提升了在寬電壓范圍內(nèi)的綜合效率，從而在電動(dòng)自行車(chē)、工業(yè)設(shè)備等新興領(lǐng)域，為工程師提供了更簡(jiǎn)單、更具成本效益的高性能替代方案。