介紹

磚式DC-DC轉換器廣泛應用於數據中心、電信和汽車應用，將標稱48V匯流排轉換為（或從）標稱12V匯流排。氮化鎵（GaN）集成電路（IC）技術的進步使得半橋和閘極驅動器得以集成，從而形成單芯片解決方案，簡化了佈局、最小化面積並降低成本。

本應用說明討論了使用集成GaN功率級的數位控制雙向1/16磚式轉換器的設計，適用於48V轉12V應用，輸出功率可達300W，峰值效率為95%。

1/16磚式轉換器的標準尺寸為33 x 22.9 mm（1.3 x 0.9英寸）。此設計的高度限制設定為10 mm（0.4英寸）。

單片集成GaN ePower™級

GaN FETs和閘極驅動器的單片集成提供了改進的性能和簡化的電路板佈局。它還減少了寄生電感和電容及相關損耗。

圖1（a）顯示了EPC2152 GaN ePower™級[1]的簡化框圖。主功率FET由集成閘極驅動器控制。IC還包括可接受3.3V至5V邏輯電平的輸入緩衝器。其他標準功能還包括上電復位（POR）和欠壓鎖定（UVLO）功能、高壓信號電平移位器和同步自舉FET [2]。圖1（b）顯示了單片GaN功率級的照片。兩個功率GaN FET均額定為80V，導通電阻為10mΩ。

雙向DC-DC轉換器的設計

設計高功率1/16磚式的一個關鍵挑戰是有限的空間。集成的EPC2152僅需18 mm²的面積，為實現高效率的適當去耦電容器留下了空間。

圖2顯示了EPC9151雙向1/16磚式DC-DC轉換器的簡化原理圖。它包括雙相同步降壓功率級、數位控制器、電流傳感器和雜項電源。選擇雙相方法以減少峰值電流需求，並使用較小的磁性元件。

利用集成的功率級，可以輕鬆地最小化功率迴路電感。高頻去耦電容器放置在IC旁邊，使用最佳佈局技術[4]，印刷電路板（PCB）的第二層為接地層，如圖3所示。在這六層PCB中，還包括另外兩層接地層，以提高散熱效果並對電壓和電流反饋信號進行屏蔽。

TDK B82559系列電感[5]的尺寸為13 x 10.7 mm（0.51 x 0.42英寸），高度為5 mm或6 mm。2.4 μH電感的飽和電流額定值為16.5A。因此，選擇500 kHz的開關頻率，當轉換48V至12V時，峰值電流為16.25A，滿足飽和電流要求。

數位控制

使用Microchip公司的dsPIC33CK32MP102數位控制器[6]。這是一款16位處理器，最大CPU速度為100 MIPS。脈寬調制（PWM）模組可以配置為高分辨率模式，導致占空比和死區時間的250 ps分辨率，使得可以精確調整死區時間以充分發揮GaN FET的高性能。

數位平均電流模式控制在降壓和升壓模式中均有實現。電流檢測電路包括檢測電阻和差分放大器。在此設計中，使用了低損耗的1mΩ檢測電阻和低噪音放大器MCP6C02。控制框圖如圖4所示。兩個獨立電流迴路使用相同的電流參考I_REF。因此，兩個電感中的電流將被調整到相同的值。兩個內部電流迴路的帶寬設置為10 kHz，外部電壓迴路的帶寬設置為2 kHz。

實驗結果

圖5顯示了安裝在EPC9531測試夾具上的EPC9151 1/16磚式轉換器的照片，以及其底面。設計的總支撐高度為9.1 mm，包括電感器的6 mm、PCB厚度的1.6 mm和底部元件（0805尺寸電容器）的1.5 mm。

如圖5（頂）所示，EPC9531測試夾具具有47 μF的額外輸入電容和200 μF的輸出電容。這些額外的電容有助於維持控制器的穩定性。該夾具還提供了編程端口和USB通信。

在無散熱片和1700 LFM氣流的情況下，測量的熱穩態效率和損耗如圖6（a）所示，為降壓模式；如圖6（b）所示，為升壓模式。降壓模式的峰值效率為95.5%，升壓模式的峰值效率為95.1%。最大輸出功率下的設備最高溫度達到89°C，如圖7中的熱圖所示。在中等氣流（如400至800 LFM）環境中，需要使用散熱片。

結論

本應用說明介紹了使用兩個EPC2152單片集成GaN功率級的雙向高功率EPC9151 1/16磚式轉換器。相比最先進的MOSFET設計，它展示了更簡單的佈局和更高的功率密度。展示了一個300W 48V至12V（反向也是如此）的轉換器設計，峰值效率為95%。

參考資料

[1] “EPC2152 – 80V, 10A 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, “300W 48V-12V Digitally Controlled 1/16^th 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.

Alex Lidow, Ph.D., CEO and Co-founder