Page 38 - 智慧家庭：為什麼‘Matter’很重要？

DESIGN IDEAS
設計實例
利用GaN技術在狹窄環境中 保持「冷靜」
作者:Dhaval Dalal 和 Rajesh Ghosh，Tagore Technology
自從USB-PD規範推出並歷經演變以來，用於為手機到筆記型電腦等日常電子裝置供電的電源配接器 格局發生了很大變化。雖然USB-PD確保了廣泛的相容性，但電源配接器的設計變得更具挑戰性——現 在，電源配接器必須要能支援廣泛的輸出電壓(相對於專用配接器的單一輸出電壓)。
對於設計的電路來說，情況也沒 有什麼不同:配接器內的電子電 路必須要在放置它們的狹小空間 中保持冷(表現出低溫升)靜(低發 射雜訊)。本文將著眼於實現這些 目標的技術。
散熱和EMI設計挑戰對電源設 計人員來說並不陌生。然而，隨著 GaN技術能夠實現更緊湊的空間， 這些挑戰變得更加嚴重。
與此同時，終端用戶仍持續要 求更輕、更小的配接器。為此，業 界近年來推出了氮化鎵(GaN)功率 開關以滿足上述雙重要求。
緊密地排列元件，與實現低溫升和 EMI是對立的。在耗散更嚴重的元 件和其他元件之間鄰近加熱，可能 導致對其他元件提出更高溫度額 定值的要求。此外，配接器的全封 閉式封裝也使散熱方案受限。從 EMI的角度來看，開關元件的臨近 放置以及較小的初次級間距，也會 導致交叉耦合等等問題。
相較於矽元件，GaN元件提 供更低的傳導和開關損耗，因而 能以高效率實現更高開關頻率的 操作，因此電源配接器可以做得更 輕薄短小。基於GaN元件的設計 需要特別注意，因為其閘極電壓範 圍有限，且該閘極易受雜散的導通 和關斷影響。然而，具有單晶片整 合驅動器的GaN FET (例如Tagore Technology的TP44x00NM系列)， 除了能節省空間外，還能使設計實 作更穩定且輕鬆。
散熱和EMI挑戰
雖然GaN元件能實現更高的 功率密度，但為了實現高可靠性 且具市場性的配接器設計，仍有一 些系統級問題需要解決。正如每個 電力電子工程師所知道的，這些問 題是以散熱設計和EMI合規性為中 心。作為人類，當我們處於緊張狀 態時，就會努力保持冷靜和鎮定。
有效散熱管理背後的基本原 則是以最具效率的方式分配熱量。 這可以透過多種方式實現，包括策 略性的元件佈局;添加銅平面並將 其連接到散熱器，以提高PCB的熱 量傳播;在外殼內部表面添加銅鍍 層;使用導熱間隙填充材料橋接 PCB頂部和底部。
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就本文特別關注GaN元件而 言，其裸晶尺寸遠小於等效功率 損耗性能的矽元件。此外，GaN元 件的封裝更小，需要採取特殊措施 來限制裸晶的溫度。即使GaN元件 具有較低的損耗，更高的散熱管理 挑戰仍然存在。從EMI的角度來 看，GaN元件的寄生電容較低，因 此其傾向於以更快的上升沿和下 降沿進行開關，因而導致諧波和 EMI的產生。
儘管存在上述挑戰，但仍有一 些技術供設計人員使用，以提高散 熱性能和EMI性能。
此外，在更密集的配接器中更
本文以使用準諧振返馳(QRF) 拓撲的65W配接器設計為例，介紹
散熱解決方案