电源适配器的设计挑战与解决方法

自从引入 USB-PD 规范及其演变以来，用于为从手机到笔记本电脑等日常电子设备供电的电源适配器的格局发生了很大变化。虽然USB-PD确保了广泛的兼容性，但电源适配器的设计变得更具挑战性：现在，电源适配器必须支持广泛的输出电压（相对于固定使用适配器的单一输出电压）。与此同时，最终用户对更轻、更小的适配器的需求仍在继续。近年来引入了氮化镓功率开关来满足这些双重要求。

与硅器件相比，GaN 器件提供更低的传导和开关损耗，能够以高效率实现更高的开关频率操作，因此适配器更轻、更小。基于 GaN 器件的设计需要特别注意，因为栅极电压范围有限，并且栅极易受杂散开启和关闭的影响。然而，具有单片集成驱动器的GaN FET（例如泰戈尔技术公司的 TP44x00NM 系列）除了节省空间外，还使实施更加稳健和容易。

虽然 GaN 器件可实现更高的功率密度，但仍有一些系统级问题需要解决，以实现高度可靠且适销对路的适配器设计。正如每个电力电子工程师所知道的那样，这些以热设计和 EMI 合规性为中心。作为人类，当我们处于紧张状态时，我们会努力保持冷静和镇定。对于我们设计的电路来说，情况也没有什么不同：适配器内的电子设备必须在我们放置它们的狭小空间中保持凉爽（表现出低温升）和平静（低发射噪声）。我们在本文中着眼于实现这些目标的技术。

散热和 EMI 挑战 

散热和 EMI 设计挑战对电源设计人员来说并不陌生。然而，随着 GaN 技术实现更紧凑的空间，这些挑战变得更加严重。

特别关注 GaN 器件，GaN 器件的管芯尺寸远小于等效功率损耗性能的硅器件。此外，GaN 器件封装更小，需要采取特殊措施来限制芯片温度。即使 GaN 器件具有较低的损耗，增强的热管理挑战仍然存在。从 EMI 的角度来看，GaN 器件的寄生电容较低，因此它们倾向于以更快的上升沿和下降沿进行开关，这会导致谐波和 EMI 的产生。

此外，在更密集的适配器中更紧密地排列组件与实现低温升和 EMI 是对立的。更多耗散组件和其他组件之间的邻近加热可能导致对其他组件的更高温度额定值要求。此外，适配器的全封闭包装提供了有限的散热选择。从 EMI 的角度来看，开关器件的接近性和较小的初级-次级间距会导致交叉耦合和其他问题。

尽管存在上述挑战，但仍有一些可供设计人员使用的技术可以提高热性能和 EMI 性能。

散热解决方案

有效热管理背后的基本原则是以最有效的方式分配热量。这可以通过多种方式实现，包括组件的战略布局放置；通过添加铜平面连接到散热组件来增加通过 PCB 的热量传播；在外壳的内表面添加铜镀层；并使用热间隙填充材料桥接 PCB 顶部和底部。

我们将以使用准谐振反激 (QRF) 拓扑的 65W 适配器设计为例来说明实现其中一些概念的方法。首先，应该认识到输入电解滤波电容（EL 电容）的体积很大（约为适配器体积的 15%），其散热很少。因此，将 GaN 器件直接放置在电路板另一侧的 EL 帽下方会有所帮助。使用通孔和热胶将热量传递到电路板的 EL 帽侧有很大帮助。类似的策略可以应用于 EMI 滤波电感器和其他耗散元件。

另一个有用的步骤是将输入桥式整流器（消耗 4.5% 的输出功率）移至子板。整流器组件的自热不会损害适配器的性能。然而，从整流器到 GaN 器件的热扩散会影响功率处理能力。最后，在组装之前，可以策略性地使用铜板将高耗散区域与低耗散区域连接起来，并尝试平衡适配器内的温度。图 1 说明了其中一些概念。

图 1：散热和 EMI 设计、布局和封装解决方案

EMI 解决方案

EMI 解决方案包括传统方法，例如选择正确的频率、正确的布局、选择合适的 EMI 滤波器以及控制开关转换。QRF 拓扑允许更柔和的开启开关转换，这有助于降低 EMI。TP44x00NM 系列还允许控制栅极开启速度，从而为限制 EMI 提供了额外的杠杆。

这些微型适配器中的初级-次级电容要高得多，因为初级侧和次级侧之间的间距从通常的 8 mm 减小到了更低的水平。这降低了共模阻抗并导致初级和次级之间更高水平的耦合——用于散布热量的铜箔使这种现象变得更糟。最终的传导 EMI 合规性需要一些特殊措施（图 1 中突出显示了一些）。首先，共模 (CM) 扼流圈需要分成两个电感器（一个用于 1 MHz 的频率，另一个用于 1-30 MHz），位于 X 电容器的任一侧并放置在 AC 侧。差模 (DM) 滤波器是一种 pi 滤波器，通过将直流侧滤波器帽一分为二并在中间放置一个 DM 扼流圈形成。最后，也是最关键的，Y 电容，受安全要求约束，放置在两个位置。一个 (680 pF) 放置在 X 电容器和次级接地之间，另一个 (也是 680 pF) 放置在次级开关节点和初级接地之间。1.36 nF 的总值远低于 2.2 nF Y 电容器的限值 — 提供了一些设计余量。

最终结果：热和 EMI 改进

上述热和 EMI 改进措施是在适配器中实施的，然后将其与同样使用 GaN 技术的类似市售适配器进行比较。热和 EMI 结果分别如图 2 和图 3 所示。使用 TP44200NM 的适配器的热性能随着改进的实施而较早稳定，最终温度至少比其他适配器低 10˚C。EMI 性能也优于市场采购的适配器（图中未显示），并在整个频谱范围内提供 >10-dB 的裕度。

图 2：热性能比较

图 3：TagoreTech 适配器的 EMI 性能（>10-dB 余量）

结论

使用本文介绍的技术可以使基于 GaN 的适配器的实现更加稳健。通过更加关注组件选择、电路板布局和封装技术，进一步增强了 GaN 和 GaN IC 的潜在性能优势。当电气、热和 EMI 性能协调一致时，其结果可能不仅是更凉爽（低温升）和更平静（低 EMI）的适配器，而且为设计团队提供更凉爽和更平静的专业体验。

审核编辑：汤梓红