PI InnoSwitch3系列反激式开关IC新品性能、参考设计及上手测评
文章转载自 电子工程世界
今年pi innoswitch3系列反激式开关ic再添新品，“900v耐压”和“100w输出功率”非常吸引眼光。本次，我们将从新品性能、参考设计以及demo测评三个角度，初步认识本次新品。
新品性能
本次新品具体为针对家电和工业应用的ep系列inn3690c，以及针对汽车应用的aq系列inn3990cq。inn3690c/inn3990cq具备击穿电压高达900v的powigan，特别适用于400v母线系统的相关应用，并且可以在超过93%的效率下输出高达100w的功率。
innoswitch3-ep系列的inn3690c与innoswitch3-aq系列的inn3990cq参数接近，主要差别在于inn3990cq符合aec-q100标准，适用于车规级应用。本次，我们以inn3690c为例进行说明，相关说明也适用于inn3990cq。
首先，我们将要了解innoswitch3-ep系列的主要特性，inn3690c的特性及典型应用。
图1-1 innoswitch3-ep典型应用原理图
如图1-1所示，相较于其他电源方案，该系列方案具备几大优势：
高集成度：pi将初级的高压开关以及次级的控制电路集成到同一个紧凑的封装内部，同时具备高达4000vac的隔离电压要求，目前没有其他厂家可以实现类似的技术。innoswitch3-ep同时集成了次级检测以及同步整流驱动器，进一步降低了设计复杂度并提高了电源效率。
高输出功率以及高效率：以inn3690c为例，其可以在超过93%的效率下输出高达100w的功率。能够有效缩小散热器尺寸，甚至完全省去散热器，仅靠pcb板进行散热。
优良的输出控制性能：innoswitch3-ep次级可以采用多路加权反馈方式及同步整流，提供出色的多路输出交叉调整率。具备优异的恒压、恒流精度。
高效节能：空载功耗低至30mw，轻松符合全球所有能效标准。
先进的保护/安全特性：具备sr fet-gate栅极开路检测功能、快速的输入欠压过压保护、输出过压故障进入自动重启保护工作状态等保护措施。集成的725v/750v/900v额定电压开关，可以为工业电源等不同高压应用保持额外的安全余量。
图1-2 innoswitch3-ep器件输出功率表
通过图1-2可以看到inn3690c的特殊之处：在输出功率100w的所有器件中，具备高达900v的gan开关。
首先，我们需要考虑一下为什么电源需要高达900v的gan开关？这里推荐pi 技术外展总监andy smith的视频。概括来说，在反激式功率变换器中，初级的功率开关上的电压应力取决于3个方面：vdc，即电路的输入电压；vor，即输出电压反射至初级的电压；vle，即功率变压器当中的漏感储能。上述3个电压会叠加起来，构成初级功率开关上的应力。如图1-3所示。
图1-3 反激变换器中初级功率开关上的应力构成
对应力构成带入数值进行分析，可以得到如图1-4的结果。可以看到，在考虑20%安全设计余量的基础上，初级功率开关的耐压值需要达到860v。因此，900v耐压的初级功率开关，可以很好地满足这些需求。
图1-4 反激变换器中初级功率开关上的应力数值分析
pi目前已经有基于硅技术的900v耐压的产品，但是由于硅晶体管的开关损耗较大，同时硅技术的晶圆尺寸较大，因此其功率等级大约限制在30w。对应的750v耐压的gan器件则可以轻松满足100w的输出功率要求。随着汽车电子、工业、消费和商业应用的发展升级，对更高输入电压的辅助电源的功率需求也一直在不断提高，因此，pi推出的900v gan系列产品，完美填补了这一块市场需求。
目前新能源汽车发展迅速，pi针对汽车应用的aq系列的inn3990cq产品，也为这个领域带来了一次创新机会。在目前的新能源汽车中，仍普遍存在12v铅酸电池，其主要功能为在汽车动力系统未启动时，为安全系统如门锁、防盗等进行供电。目前的主要架构是高压动力电池通过dcdc变换器对12v电池进行充电，再由12v电池对安全系统等负载进行供电。如果使用pi的inn3990cq等器件，则可以直接将动力电池电压转换为12v电源轨，构成一个虚拟的12v蓄电池。这样带来的显著优点有：效率高，显著减重，该电源的性能也会优于12v电池，大大延长了汽车停止行驶期间的待机时间。
参考设计
除产品外，pi开发的设计支持工具以及参考设计等也完善易用。pi expert电源设计软件可以根据用户输入参数自动生成电源方案，给出构建和测试原型机的必要信息。针对典型的客户应用，pi通常都会提供相应的评估板，并附带全面的测试信息。
针对本次推出的innoswitch3-aq inn3990cq芯片，pi提供了参考设计der-953q，如图2-1所示。注意，当前pi提供的实际参考设计板卡与此有差异：移除了图中输入端的共模电感。其主要用于汽车中µdc-dc变换器的参考应用。
der-953q有如下几个特点：
1.超紧凑设计，高度低于22mm，仅有66个元件；
2.在150vdc-500vdc下可以满载运行，输出效率均≥92%；
3.支持在-40 °c至85 °c环境温度下运行；
4.使用汽车级aec-q标贴元件；
5.增强型500v隔离变压器，符合iec-60664-1和iec-60664-4标准。
图2-1 der-953q参考设计
der-953q参考设计报告内容详尽，包含了设计规格、原理图及说明、pcb、bom、变压器规格以及设计、性能数据、热性能、波形等。以下，我们重点看下如下几个部分。
der-953q设计规格如图2-2所示。可以看到，其输入范围为150v-500v，输出电压为13.5v，输出电流为7.35a。纹波最大值为270mv(2% vout)，动态负载下过冲和下冲最大值为450mv(3.3% vout)。适用于将高压的400v动力母线电池电压变换为12v母线电压，给车内的低压负载供电。
图2-2 der-953q设计规格
der-953q的功率级部分原理图如图2-3所示。总体来看，因为innoswitch3的高集成度，电路设计保持了pi一贯的简洁设计风格。
图2-3 der-953q功率级电路图
从高压侧看，变压器的原边连接到inn3990cq高压侧功率开关，且具有rcd吸收电路来限制高压fet关断时候的ds端电压峰值。变压器的辅助绕组对inn3990cq进行供电。
从低压侧看，inn3990cq主要功能是电压测量、电流测量以及sr fet的驱动。在本设计中，2颗mosfet并联使用作为sr fet，对于7.35a的高电流输出，可以降低散热压力。sr fet上还并联有rc吸收电路以抑制高频震荡。
fb为inn3990cq的电压反馈引脚，r113和r114构成基础电压反馈，atl431部分电路构成精确电压调整（precision voltage regulation, pvr）反馈。由于pi独有的fluxlink反馈技术，可以直接测量低压侧电压进行反馈，而不是传统的通过光耦反馈的方式，可以极大提升低压侧输出电压精度。
is为inn3990cq的电流反馈引脚，r109、r110和r111为电流采样电阻。保证在故障发生时，电源有足够的过载保护能力，从而保护电源及负载的使用安全。
der-953q采用了6层板设计，相关设计文件均可以在pi官网获得。除元件bom之外，pi还提供了本设计的变压器设计文档。
pi对der-953q进行了详尽的测试，我们来看一下几项主要的测试数据。
图2-4展示了der-953q的效率表现，可以看到达到50%负载后，在全部输入电压下，电源的效率均高于92%。随着输入电压的降低，其效率表现将会稍有提升。
图2-4 不同输入电压下效率vs负载率（环境温度85 °c）
图2-5展示了der-953q的热性能，可以看到在最低输入电压下，inn3990cq具备最大的热应力，温度已经达到124°c，已经非常接近125°c的限制。这也部分是由于85度环境温度的原因造成的。因此在用户实际设计中，需要给芯片的source引脚提供足够大的铜皮进行散热。对于有更严酷环境温度要求的应用，可以考虑将pcb板的热量通过外加导热垫的方式，将热量传导至整机部件的金属外壳上进行冷却散热。
图2-5 元件温度（环境温度85 °c）
图2-6展示了inn3990cq内部高压fet以及sr fet的电压应力。可以看到，在500v输入电压下，inn3990cq内部高压fet应力也仅达到900v额定耐压值的80%，留有充分的电压裕量。这也充分体现了900v耐压的重要性。
图2-6 电压应力（环境温度85 °c）
图2-7展示了der-953q的动态性能。可以看到在全部测试中，电压变化不超过450mv(3.3% vout)，说明其动态性能极佳。而在传统方案或者初级稳压方式的方案当中，需要使用很大容量的输出电容来满足动态负载变化引起的稳压精度的要求。对于具有快速响应特性的inn3990cq方案而言，则可以使用小得多的输出电容容量。这不但可以节省空间，还可以降低成本，同时增加整体电源的使用寿命和可靠性。
图2-7 负载变化响应（环境温度85 °c）
上手测评
本次测评也对der-953q进行了简单的测试，由于测试条件限制，主要进行了电压输出精度、纹波以及负载变化响应的测试。
表2-8展示了der-953q输出精度。可以看到其负载调整率的表现极佳。
输入电压（vdc） 负载（a） 输出电压（v）
150 0 13.47
3.75 13.47
7.35 13.47
380 0 13.47
3.75 13.47
7.35 13.46
表2-8 电压输出精度（环境温度25 °c）
图2-9和图2-10分别展示了150vdc和380vdc输入电压下，在0a，3.75a和7.35a负载下的纹波表现。可以看到，测量到的最大纹波仅为141mv。
图2-9 150vdc输入电压下纹波（环境温度25°c）
图2-10 380vdc输入电压下纹波（环境温度25°c）
图2-11和图2-12分别展示了150vdc和380vdc输入电压下，在0a至7a（95%）和7a（95%）至0a负载变化下的输出电压变化。可以看到，最大的输出电压波动为435mv。
图2-11 150vdc输入电压下对负载变化动态响应（环境温度25°c）
图2-12 380vdc输入电压下对负载变化动态相应（环境温度25°c）
总结
pi本次芯片的核心竞争力：900v耐压的gan初级fet，能提供高达100w的输出功率。总体来说，pi本次新品具备优秀的性能指标，同时官网还有丰富详实的设计资源，便于用户快速评估设计。相信这些新品会再次引领反激变换器设计领域的技术革新。给高输入电压的应用及市场火爆的汽车电子应用带来新的选择。
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如图1-1所示，相较于其他电源方案，该系列方案具备几大优势：
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高输出功率以及高效率：以inn3690c为例，其可以在超过93%的效率下输出高达100w的功率。能够有效缩小散热器尺寸，甚至完全省去散热器，仅靠pcb板进行散热。
优良的输出控制性能：innoswitch3-ep次级可以采用多路加权反馈方式及同步整流，提供出色的多路输出交叉调整率。具备优异的恒压、恒流精度。
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先进的保护/安全特性：具备sr fet-gate栅极开路检测功能、快速的输入欠压过压保护、输出过压故障进入自动重启保护工作状态等保护措施。集成的725v/750v/900v额定电压开关，可以为工业电源等不同高压应用保持额外的安全余量。
图1-2 innoswitch3-ep器件输出功率表
通过图1-2可以看到inn3690c的特殊之处：在输出功率100w的所有器件中，具备高达900v的gan开关。
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图1-3 反激变换器中初级功率开关上的应力构成
对应力构成带入数值进行分析，可以得到如图1-4的结果。可以看到，在考虑20%安全设计余量的基础上，初级功率开关的耐压值需要达到860v。因此，900v耐压的初级功率开关，可以很好地满足这些需求。
图1-4 反激变换器中初级功率开关上的应力数值分析
pi目前已经有基于硅技术的900v耐压的产品，但是由于硅晶体管的开关损耗较大，同时硅技术的晶圆尺寸较大，因此其功率等级大约限制在30w。对应的750v耐压的gan器件则可以轻松满足100w的输出功率要求。随着汽车电子、工业、消费和商业应用的发展升级，对更高输入电压的辅助电源的功率需求也一直在不断提高，因此，pi推出的900v gan系列产品，完美填补了这一块市场需求。
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参考设计
除产品外，pi开发的设计支持工具以及参考设计等也完善易用。pi expert电源设计软件可以根据用户输入参数自动生成电源方案，给出构建和测试原型机的必要信息。针对典型的客户应用，pi通常都会提供相应的评估板，并附带全面的测试信息。
针对本次推出的innoswitch3-aq inn3990cq芯片，pi提供了参考设计der-953q，如图2-1所示。注意，当前pi提供的实际参考设计板卡与此有差异：移除了图中输入端的共模电感。其主要用于汽车中µdc-dc变换器的参考应用。
der-953q有如下几个特点：
1.超紧凑设计，高度低于22mm，仅有66个元件；
2.在150vdc-500vdc下可以满载运行，输出效率均≥92%；
3.支持在-40 °c至85 °c环境温度下运行；
4.使用汽车级aec-q标贴元件；
5.增强型500v隔离变压器，符合iec-60664-1和iec-60664-4标准。
图2-1 der-953q参考设计
der-953q参考设计报告内容详尽，包含了设计规格、原理图及说明、pcb、bom、变压器规格以及设计、性能数据、热性能、波形等。以下，我们重点看下如下几个部分。
der-953q设计规格如图2-2所示。可以看到，其输入范围为150v-500v，输出电压为13.5v，输出电流为7.35a。纹波最大值为270mv(2% vout)，动态负载下过冲和下冲最大值为450mv(3.3% vout)。适用于将高压的400v动力母线电池电压变换为12v母线电压，给车内的低压负载供电。
图2-2 der-953q设计规格
der-953q的功率级部分原理图如图2-3所示。总体来看，因为innoswitch3的高集成度，电路设计保持了pi一贯的简洁设计风格。
图2-3 der-953q功率级电路图
从高压侧看，变压器的原边连接到inn3990cq高压侧功率开关，且具有rcd吸收电路来限制高压fet关断时候的ds端电压峰值。变压器的辅助绕组对inn3990cq进行供电。
从低压侧看，inn3990cq主要功能是电压测量、电流测量以及sr fet的驱动。在本设计中，2颗mosfet并联使用作为sr fet，对于7.35a的高电流输出，可以降低散热压力。sr fet上还并联有rc吸收电路以抑制高频震荡。
fb为inn3990cq的电压反馈引脚，r113和r114构成基础电压反馈，atl431部分电路构成精确电压调整（precision voltage regulation, pvr）反馈。由于pi独有的fluxlink反馈技术，可以直接测量低压侧电压进行反馈，而不是传统的通过光耦反馈的方式，可以极大提升低压侧输出电压精度。
is为inn3990cq的电流反馈引脚，r109、r110和r111为电流采样电阻。保证在故障发生时，电源有足够的过载保护能力，从而保护电源及负载的使用安全。
der-953q采用了6层板设计，相关设计文件均可以在pi官网获得。除元件bom之外，pi还提供了本设计的变压器设计文档。
pi对der-953q进行了详尽的测试，我们来看一下几项主要的测试数据。
图2-4展示了der-953q的效率表现，可以看到达到50%负载后，在全部输入电压下，电源的效率均高于92%。随着输入电压的降低，其效率表现将会稍有提升。
图2-4 不同输入电压下效率vs负载率（环境温度85 °c）
图2-5展示了der-953q的热性能，可以看到在最低输入电压下，inn3990cq具备最大的热应力，温度已经达到124°c，已经非常接近125°c的限制。这也部分是由于85度环境温度的原因造成的。因此在用户实际设计中，需要给芯片的source引脚提供足够大的铜皮进行散热。对于有更严酷环境温度要求的应用，可以考虑将pcb板的热量通过外加导热垫的方式，将热量传导至整机部件的金属外壳上进行冷却散热。
图2-5 元件温度（环境温度85 °c）
图2-6展示了inn3990cq内部高压fet以及sr fet的电压应力。可以看到，在500v输入电压下，inn3990cq内部高压fet应力也仅达到900v额定耐压值的80%，留有充分的电压裕量。这也充分体现了900v耐压的重要性。
图2-6 电压应力（环境温度85 °c）
图2-7展示了der-953q的动态性能。可以看到在全部测试中，电压变化不超过450mv(3.3% vout)，说明其动态性能极佳。而在传统方案或者初级稳压方式的方案当中，需要使用很大容量的输出电容来满足动态负载变化引起的稳压精度的要求。对于具有快速响应特性的inn3990cq方案而言，则可以使用小得多的输出电容容量。这不但可以节省空间，还可以降低成本，同时增加整体电源的使用寿命和可靠性。
图2-7 负载变化响应（环境温度85 °c）
上手测评
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表2-8展示了der-953q输出精度。可以看到其负载调整率的表现极佳。
输入电压（vdc） 负载（a） 输出电压（v）
150 0 13.47
3.75 13.47
7.35 13.47
380 0 13.47
3.75 13.47
7.35 13.46
表2-8 电压输出精度（环境温度25 °c）
图2-9和图2-10分别展示了150vdc和380vdc输入电压下，在0a，3.75a和7.35a负载下的纹波表现。可以看到，测量到的最大纹波仅为141mv。
图2-9 150vdc输入电压下纹波（环境温度25°c）
图2-10 380vdc输入电压下纹波（环境温度25°c）
图2-11和图2-12分别展示了150vdc和380vdc输入电压下，在0a至7a（95%）和7a（95%）至0a负载变化下的输出电压变化。可以看到，最大的输出电压波动为435mv。
图2-11 150vdc输入电压下对负载变化动态响应（环境温度25°c）
图2-12 380vdc输入电压下对负载变化动态相应（环境温度25°c）
总结
pi本次芯片的核心竞争力：900v耐压的gan初级fet，能提供高达100w的输出功率。总体来说，pi本次新品具备优秀的性能指标，同时官网还有丰富详实的设计资源，便于用户快速评估设计。相信这些新品会再次引领反激变换器设计领域的技术革新。给高输入电压的应用及市场火爆的汽车电子应用带来新的选择。
拔电池时损坏充电IC的原因分析
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