如何使用单片GaN ePower™级设计双向1/16砖48V-12V转换器
技术分享GaN技术杂谈 – Alex Lidow, Ph.D.
12月 14, 2020
介绍
Brick DC-DC 转换器广泛应用于数据中心、电信和汽车应用中，将标称的48 V母线转换为（或从）标称的12 V母线。氮化镓（GaN）集成电路（IC）技术的进步实现了半桥和栅极驱动器的集成，提供了简化布局、最小化面积和降低成本的单芯片解决方案。
本应用笔记讨论了使用集成GaN功率级为48 V-to-12 V应用设计的数字控制双向1/16th Brick转换器，输出功率可达300 W，峰值效率为95%。
1/16th Brick转换器的标准尺寸为33 x 22.9 mm（1.3 x 0.9英寸）。该设计的高度限制为10 mm（0.4英寸）。
单片集成GaN ePower™阶段
GaN FET和栅极驱动器的单片集成提供了更好的性能和简化的电路板布局。它还减少了寄生电感和电容及相关损耗。
图1（a）显示了EPC2152 GaN ePower™阶段的简化框图[1]。主要功率FET由集成的栅极驱动器控制。IC还包括接受3.3 V到5 V逻辑电平的输入缓冲器。其他标准功能也包括在内，如上电复位（POR）和欠压锁定（UVLO）功能、高压信号电平移位器和同步自举FET[2]。图1（b）显示了单片GaN功率级的照片。两个功率GaN FET的额定电压为80 V，导通电阻为10 mΩ。
图1. (a) 框图，(b) 单片GaN ePower阶段EPC2152照片 [1]
双向DC-DC转换器的设计
设计高功率1/16th Brick的关键挑战之一是空间限制。集成的EPC2152仅需要18 mm2的面积，为实现高效率留出了足够的去耦电容空间。
图2显示了EPC9151双向1/16th Brick DC-DC转换器的简化原理图。它包括一个两相同步降压功率级、一个数字控制器、电流传感器和辅助电源。选择两相方法，以减少峰值电流需求并使用更小的磁性元件。
图2. 1/16th Brick双向DC-DC转换器的原理图
通过集成功率级，可以轻松最小化功率回路电感。高频去耦电容放置在IC旁边，使用最佳布局[4]技术，印刷电路板（PCB）的第二层为接地平面，如图3所示。在这个六层PCB中还包括另外两层接地平面，以更好地散热以及为电压和电流反馈信号提供屏蔽。
图3. 使用EPC2152的简化布局的印刷电路板前两层
TDK B82559系列电感器[5]使用尺寸为13 x 10.7 mm（0.51 x 0.42英寸），高度为5 mm或6 mm。2.4 μH电感的饱和电流额定值为16.5 A。因此，选择500 kHz开关频率，转换48 V至/从12 V时的峰值电流为16.25 A，满足饱和电流要求。
数字控制
使用来自Microchip [6]的dsPIC33CK32MP102数字控制器。它是一款16位处理器，最大CPU速度为100 MIPS。脉宽调制（PWM）模块可以配置为高分辨率模式，实现250 ps的占空比和死区时间分辨率，允许精确调整死区时间以充分发挥GaN FET的高性能。
数字平均电流模式控制在降压和升压模式下均得到实现。电流传感电路包括感应电阻和差分放大器。在此设计中，使用低损耗的1 mΩ感应电阻和低噪声放大器MCP6C02。控制框图如图4所示。两个独立电流环路使用相同的电流参考IREF。结果是两个电感器中的电流将被调节到相同的值。两个内电流环路的带宽设置为10 kHz，外电压环路的带宽设置为2 kHz。
图4. 多环路两相转换器的控制框图
实验结果
图5显示了安装在EPC9531测试夹具上的EPC9151 1/16th Brick转换器的照片及其底面。设计的总离地高度为9.1 mm，包括电感器的6 mm、PCB厚度的1.6 mm和底部元件（0805尺寸电容器）的1.5 mm。
图5. EPC9151 1/16th Brick转换器的顶部和底部
图5（顶部）所示的EPC9531测试夹具具有额外的47 μF输入电容和200 μF输出电容。这些额外的电容有助于保持控制器的稳定性。夹具还提供了编程端口和USB通信。
在没有散热器和1700 LFM气流的情况下，测得的热稳态效率和损耗如图6（a）所示（降压模式），以及图6（b）所示（升压模式）。降压模式的峰值效率为95.5%，升压模式为95.1%。在最大输出功率下，器件的最高温度达到了89°C，如图7中的热成像图所示。在400至800 LFM的中等气流环境下，需要使用散热器。
图6. 1/16th Brick转换器的测得效率和损耗: (a) VIN = 48 V, VOUT = 12 V（降压）；(b) VIN= 12 V, VOUT = 48 V（升压）
图7. 1/16th Brick转换器在热稳态下的热成像图。VIN = 48 V, VOUT = 12 V, 输出电流为25 A，气流为1700 LFM
结论
本应用笔记介绍了一种使用两个EPC2152单片集成GaN功率级的双向高功率EPC9151 1/16th Brick转换器。它比最新的MOSFET设计具有更简单的布局和更高的功率密度。本文展示了一个300 W 48 V至/从12 V转换器设计，峰值效率为95%。
参考文献
[1] “EPC2152 – 80 V, 10 A Integrated ePower™ Stage,” Efficient Power Conversion Preliminary Datasheet, Jan. 2020.
[2] M.A. de Rooij, J.T. Strydom, D.C. Reusch, “High Voltage Zero QRR bootstrap Supply,” United States Patent US9,667,245 B2, May 30, 2017.
[3] Y. Zhang and M. de Rooij, “300 W 48V-12V Digitally Controlled 1/16th Brick DC-DC Converter Using GaN FETs,” PCIM - Europe, July 2020.
[4] A. Lidow, M. De Rooij, J. Strydom, D. Reusch, and J. Glaser, GaN transistors for efficient power conversion, 3rd ed. John Wiley & Sons, 2019. ISBN: 978-1119594147.
[5] TDK. (2012). SMT power inductors, [Online]. Available: https://www.tdk-electronics.tdk.com/inf/30/db/ind_2008/b82559_a013.pdf.
[6] Microchip Technology Inc. (2019). 16-bit PIC Microcontrollers Family, [Online]. Available: https://www.microchip.com/designcenters/16-bit.