自從引入 USB-PD 規范及其演變以來，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生了很大變化。雖然USB-PD確保了廣泛的兼容性，但電源適配器的設計變得更具挑戰性：現在，電源適配器必須支持廣泛的輸出電壓（相對于固定使用適配器的單一輸出電壓）。與此同時，最終用戶對更輕、更小的適配器的需求仍在繼續。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 器件提供更低的傳導和開關損耗，能夠以高效率實現更高的開關頻率操作，因此適配器更輕、更小。基于 GaN 器件的設計需要特別注意，因為柵極電壓范圍有限，并且柵極易受雜散開啟和關閉的影響。然而，具有單片集成驅動器的GaN FET（例如泰戈爾技術公司的 TP44x00NM 系列）除了節省空間外，還使實施更加穩健和容易。

雖然 GaN 器件可實現更高的功率密度，但仍有一些系統級問題需要解決，以實現高度可靠且適銷對路的適配器設計。正如每個電力電子工程師所知道的那樣，這些以熱設計和 EMI 合規性為中心。作為人類，當我們處于緊張狀態時，我們會努力保持冷靜和鎮定。對于我們設計的電路來說，情況也沒有什么不同：適配器內的電子設備必須在我們放置它們的狹小空間中保持涼爽（表現出低溫升）和平靜（低發射噪聲）。我們在本文中著眼于實現這些目標的技術。

散熱和 EMI 挑戰?

散熱和 EMI 設計挑戰對電源設計人員來說并不陌生。然而，隨著 GaN 技術實現更緊湊的空間，這些挑戰變得更加嚴重。

特別關注 GaN 器件，GaN 器件的管芯尺寸遠小于等效功率損耗性能的硅器件。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，增強的熱管理挑戰仍然存在。從 EMI 的角度來看，GaN 器件的寄生電容較低，因此它們傾向于以更快的上升沿和下降沿進行開關，這會導致諧波和 EMI 的產生。

此外，在更密集的適配器中更緊密地排列組件與實現低溫升和 EMI 是對立的。更多耗散組件和其他組件之間的鄰近加熱可能導致對其他組件的更高溫度額定值要求。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初級-次級間距會導致交叉耦合和其他問題。

盡管存在上述挑戰，但仍有一些可供設計人員使用的技術可以提高熱性能和 EMI 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，包括組件的戰略布局放置；通過添加銅平面連接到散熱組件來增加通過 PCB 的熱量傳播；在外殼的內表面添加銅鍍層；并使用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 (QRF) 拓撲的 65W 適配器設計為例來說明實現其中一些概念的方法。首先，應該認識到輸入電解濾波電容（EL 電容）的體積很大（約為適配器體積的 15%），其散熱很少。因此，將 GaN 器件直接放置在電路板另一側的 EL 帽下方會有所幫助。使用通孔和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損害適配器的性能。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域與低耗散區域連接起來，并嘗試平衡適配器內的溫度。圖 1 說明了其中一些概念。

圖 1：散熱和 EMI 設計、布局和封裝解決方案

EMI 解決方案

EMI 解決方案包括傳統方法，例如選擇正確的頻率、正確的布局、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，從而為限制 EMI 提供了額外的杠桿。

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 mm 減小到了更低的水平。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——用于散布熱量的銅箔使這種現象變得更糟。最終的傳導 EMI 合規性需要一些特殊措施（圖 1 中突出顯示了一些）。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），位于 X 電容器的任一側并放置在 AC 側。差模 (DM) 濾波器是一種 pi 濾波器，通過將直流側濾波器帽一分為二并在中間放置一個 DM 扼流圈形成。最后，也是最關鍵的，Y 電容，受安全要求約束，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 電容器的限值 — 提供了一些設計余量。

最終結果：熱和 EMI 改進

上述熱和 EMI 改進措施是在適配器中實施的，然后將其與同樣使用 GaN 技術的類似市售適配器進行比較。熱和 EMI 結果分別如圖 2 和圖 3 所示。使用 TP44200NM 的適配器的熱性能隨著改進的實施而較早穩定，最終溫度至少比其他適配器低 10?C。EMI 性能也優于市場采購的適配器（圖中未顯示），并在整個頻譜范圍內提供 >10-dB 的裕度。

圖 2：熱性能比較

圖 3：TagoreTech 適配器的 EMI 性能（>10-dB 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健。通過更加關注組件選擇、電路板布局和封裝技術，進一步增強了 GaN 和 GaN IC 的潛在性能優勢。當電氣、熱和 EMI 性能協調一致時，其結果可能不僅是更涼爽（低溫升）和更平靜（低 EMI）的適配器，而且為設計團隊提供更涼爽和更平靜的專業體驗。

審核編輯：湯梓紅