矽力杰新一代超高功率密度GaN解决方案

-第79期 -

SILERGY GaN Solution

氮化镓技术的出现，通过降低开关损耗和导通阻抗，提高效率，降低发热，减小了快充充电器的体积。为了实现更高的功率密度并降低外围器件数量，矽力杰自主研发集成度更高的合封氮化镓芯片，将控制器与氮化镓器件集成，包含驱动、保护等功能，支持QR/DCM模式。在传统初级电路中两三颗芯片才能实现的功能，现如今通过采用矽力杰合封方案，仅由一颗芯片就能完成，大大简化设计，既能够提升整体方案的性能，也能减少PCB板的占用，缩小尺寸并减少物料成本。

典型应用

01

原边合封GaN芯片

SY50296

SY50296

内置GaN FET高频QR反激式开关

高效率、高集成：

◆QR+DCM 组合操作模式

◆自适应 OCP（LPS，有限电源）

◆集成 650V/165mΩ GaN FET

◆可编程栅极驱动器电流

◆VCCH引脚包含 140V LDO

◆开关频率范围：25kHz~500kHz

◆谷底锁定和 1kHz Burst模式以降低音频噪声

◆频率调制以降低EMI噪声

◆内部软启动

◆集成 700V 高压启动

◆紧凑型封装：QFN5×7-18

全面的保护特性：

◆掉电保护

◆X-cap 放电功能

◆可编程输出 OVP 和 UVP

◆电流检测电阻短路保护

◆内部和外部 OTP

SY50296 是一款内置 GaN FET 的高频 QR 反激式开关，集成了 650V/165mΩ GaN FET，以实现高效率和高功率密度。SY50296 适用于宽输出电压范围，最大开关频率可达500kHz，可减小变压器和输出电容的尺寸。

SY50296 工作在峰值电流模式下，采用 QR 模式，GaN FET 可在谷底开启以降低开关损耗（尤其是在高输入电压下）。当负载持续降低时，SY50296 将进入 DCM 模式以降低开关频率，提高效率；在轻载状态下，SY50296 将进入Burst模式以减少功率损耗。

SY50296还提供了全面可靠的功能，包括HV启动、X-cap放电、掉电保护、输出OVP和UVP、OLP、VCC OVP、内外OTP等。

产品优势

1

SY50296采用专利锁Ring技术，重载工作时能够锁定Ring个数，不会出现跳谷底现象，工作稳定，减小输出纹波，降低变压器带来的杂音。

2

SY50296采用全新定制封装。如下图，在满足HV和VCCH爬电距离的同时，顶部整排引脚作为Drain，利于散热；同时将芯片底部大面积金属PAD作为Source，大大提高了散热性能，而且EMI性能良好。

QFN5×7-18 (顶视图)

3

DRVset外置电阻可设定驱动电流，便于EMI调试；CS串联电阻外置，灵活调整输出OCP精度；Fmax引脚通过外置电阻可灵活设定限频频率；Fault引脚可实现外置OVP和OTP，应用更方便。

注：推荐SY5238作为副边同步整流器控制器与SY50296配合使用，实现 ZVS 操作，以获得更高效率。

02

次级侧控制器

SY5238

SY5238

ZVS反激同步整流器

◆ 用于反激 ZVS 的 SR 负电流控制

◆ 高效率、高功率密度

◆ 自适应栅极电压控制

◆ 斜率检测以防止 SR 误触发

◆ 130V DSEN引脚直接检测SR MOS的漏极电压

◆ 省电模式提高轻载效率

◆ 双通道电源供电，适用于极低输出电压的应用

◆ 紧凑型封装：DFN 2×3-8

SY5238 是一款与 QR IC 兼容的反激同步整流控制器，用于实现原边的ZVS操作。初级侧 PWM IC 工作在准谐振模式。ZVS 控制逻辑帮助初级侧 MOSFET 在接近0V 时开启以减少开关损耗，从而最大限度地提高系统效率并实现高功率密度。SY5238 还采用自适应栅极电压控制以确保安全运行。

产品优势

1

SY5238采用高效率反激ZVS运行。ZVS可减小原边开关损耗，原边功率管温升减少，且对辐射有改善作用。

2

相比普通的反激，SY5238的集成度更高且BOM不变。

样品板

上图为采用了矽力杰 SY50296+SY5238 GaN解决方案的65W ZVS Type-C便携式电源适配器设计样品。（在前级有PFC电路时，SY50296可支持140W和更大功率的应用）。该样品长38mm、宽22mm、高21mm，裸板体积仅有17556mm3，功率密度高达3.7W/cm3，在保证高性能的同时，大大缩小了快速充电器的体积。

AC220V 12V时，不同负载下的效率对比

AC220V 20V时，不同负载下的效率对比

采用SY5238与SY50296搭配使用，在SY5238的ZVS功能开启条件下，效率有显著改善。此外，ZVS可以明显降低SY50296的温度，提高GaN的可靠性。如下图，在AC264V满载条件下增加ZVS后，SY50296温度可下降36℃。

矽力杰合封氮化镓方案SY50296+SY5238在集成度、效率等方面相较于市面同类型方案做出了较大改进，实现了化繁为简，并且提高了系统可靠性和稳定性，在小体积的前提下保持了高性能。矽力杰氮化镓方案已在多家厂商中实现规模化商用，广泛应用于AC-DC适配器、快速充电器等领域中。