STRØMFORSYNING Opnå 80 Plus Titanium-ydelse i strømforsyningen med integreret GaN Ved at integrere drivere i e-mode GaN HEMT-komponenter kan man opnå en ekstremt høj effektivitet uanset belastning af en strømforsyning. Det er især en optimal løsning til serverforsyninger on og turn-off, så det er al- optimerede, integrerede dri- mindelig praksis at separere ver-løsninger som Onsemis modstandene med en diode. NCP58920 eller NCP58921. I mere avancerede kredsløb Det er 650V e-mode GaN- kan der være en aktiv sty- komponenter med henholds- ring af gate-strømmen (med vis 150mΩ og 50mΩ on-mod- en spændingsbegrænsning). stande, og de er egnede til Men det er meget vigtigt at alle almindelige konverterto- minimere og balancere et- pologier inklusive TPPFC, selv hvert propagation-delay for om de også optræder særde- at få det maksimale udbytte les godt i ”hard-switchede” af GaN-switchens hastighed. applikationer, hvor GaN har En e-mode GaN HEMT har en sine mest udtalte fordele. tærskelværdi på rundt regnet I en typisk prisbillig TPPFC 1,6V, hvorved der er mulig- + LLC-konverter kan et par hed for, at en transient under NCP58921-komponenter yde switching vil kunne give et mere end 250W på sit DC- effekttab, da komponenten output med tæt på 95 pro- leder sporadisk, og et dårligt cent effektivitet. Med en ser- timer ”shoot-through” kan verstrømforsyning optimeret opstå med skade på kompo- med hensyn til ledetilstand nenten til følge. Det kan ske og magnetiske komponenter ved injection af en ladning kan 80+ Titanium-målet sag- ind i gaten gennem gate tens realiseres. Diagram over et serverstrømforsyningsdesign med et totempæl PFC-trin og en PSFB-fuldbro med GaN-switche. drain eller Miller-kapacitan- N C P 5 8 9 2 x - k o m p o n e n t e r sen, hvis der optræder en høj leveres i termisk højeffek- Af Yong Ang, business unit strategic marketing director, Onsemi hvilket er det strengeste ni- veau overhovedet og sand- synligvis kun muligt at reali- sere med ganske store strøm- forsyninger. design (PSFB) – og et syn- kront ensrettet output-trin. Fordeling af tabene over strømforsyningen giver ca. to procent tab for hvert trin, Gate driver- udfordringen Den mest udtalte forskel mellem e-GaN HEMT-kom- ponenter og siliciumbase- dV/dt på drain. Tilsvarende vil enhver source-induktans, som er almindeligt i et gate driver-kredsløb, kunne give en spændingstransient, der tive PQFN 8x8-huse med en fritlagt pad med 0,4°C/W junction-to-board termisk modstand. Forsyningsspæn- dingen til driver-sektioner hvilket giver en god balance rede switche er kravet om en vil modvirke gate turn-off- er ukritisk, 8,5V min. til 20V Effektiviteten af driverne har aldrig været et mere afgø- rende mål for producenter af Er GaN (galliumnitrid) den ideelle switch? Selv om siliciumbaserede mellem de switchende og statiske tab for GaN-switche- ne. meget specifik gate driver. Input-kapacitansen (CISS) er generelt lav, da det er en spændingen, så der opstår en høj drain source turn-off di/dt. max., da komponenten inde- holder en LDO for GaN HEMT- driveren med en 6V clamp og strømforsyninger end nu. Det halvledere er blevet drama- En forøgelse af die-arealet vil parallel kombination af gate For at imødegå disse effekter en 5V LDO til en ekstern digi- betyder, at ægte ”win-wins” i tisk bedre over de seneste år, mindske de statiske tab, men source og gate drain-kapaci- er dV/dt og di/dt styret i de- tal isolatorforsyning, hvis det designet ikke bare mindsker så medfører kravene i 80 Plus, de øger også komponent- tanserne, der begge er lave. signet til at være lavere end er påkrævet. driftsomkostningerne, men at de nødvendige teknologier kapacitansen, som – i sidste Men da peak gate-strømmen det maksimalt mulige. Det GaN-komponenter giver også spildenergien i form af skal endnu et skridt op – især ende – vil øge den nødven- kan være i omegnen af 1A, så medvirker til en reduceret switche med den højeste varme – som jo ellers kræver for Titanium-klassificeringen. dige ladning til udførelse af kræves det, at gate driveren støj, og en Kelvin-forbindelse ydelse og ekstremt lave sta- dyre termiske management- Det kræver WBG-teknologier hver switchingcyklus. Det har en lav source-kapacitans. kan etableres til source for at tiske og dynamiske tab. Med løsninger og øger både vægt (Wide-BandGap) som SiC (si- betyder, at en reduktion af de I virkeligheden bliver der til- adskille gate driver-loopen. driver kapslet med i switchen og pris for en forsyning. Bedre liciumcarbid) og GaN, som er statiske tab vil øge de dyna- føjet nogen modstand for er det enkelt at implementere effektivitet og færre varme- tab kræver også mindre plads rundt om forsyningen og eli- ved at blive mainstream, og som giver designs med effek- tiviteter helt op til 99 procent. miske switchingtab, men den effekt er ganske beskeden for GaN-komponenter og bety- at styre drains dV/dt, hvilket eliminerer spændings-overs- hoot og/eller oscillering. Off-the-shelf integreret GaN-driver Den bedste – og enkleste – driverne i højtydende effekt- konvertere, som kan opfylde selv de strengeste effektivi- minerer i bedste fald støjen SiC er i dag nok den mest deligt mindre end for silici- Den optimale gate-modstand måde at styre GaN-kompo- tetsspecifikationer som 80 fra blæsere. etablerede WBG-teknologi, umbaserede komponenter. er ikke den samme for turn- nenter på er at bruge forud Plus Titanium. Tidligere blev strømforsynin- men GaN giver en højere gernes effektivitet ”bare” be- ydelse med lavere on-mod- skrevet med et enkelt tal for stand og hurtigere switching, den bedst mulige effektivitet. hvilket af nogle betegnes som Men i takt med at strømfor- ”den ideelle switch”. GaN- syninger anvendes ved varie- baserede High Electron Mo- rende belastninger, bliver det bility Transistors (HEMT) har stadigt sværere at retfærdig- helt klart deres berettigelse i gøre dette tal for ”bedst mu- højeffektive applikationer. De lige effektivitet” – ikke mindst enkelte GaN-switche er kon- hvis forsyningen det meste af figurerede som ”normally- tiden arbejder ved lavere be- on”, men forbedringer eller lastningsgrader. ”e-mode”-typer er nu blevet ”80 Plus” er en frivillig stan- almindelige med deres ”off”, dard, der er udviklet for at når der påtrykker en gate imødekomme problemet om- source-spænding på nul volt. kring effekt over hele belast- Det har den fordel, at GaN- ningsområdet. Standarden switche fungerer på samme opererer med seks niveauer måde som silicium-MOSFETs fra ”basic” til ”titanium” for – i hvert fald til at starte med. minimumeffektiviteter ved Server-PSU’er er blandt de 20 procent, 50 procent og 100 sværeste applikationer med procent belastning med 80 kun fire procent acceptable procent effektivitet som det tab, hvilket betyder, at der lavest accepterede niveau. som regel kræves et totem- Titanium-niveauet er det hø- pæl PFC (TPPFC)-trin kombi- jeste, og her optræder kravet neret med en resonant DC/ om en 90 procent effektivitet DC-konverter – som et LLC- ved 10 procent belastning, eller faseskiftende fuldbro- Strømforsyning med brug af Onsemis NCP58921-integrerede GaN+driver og med et peak på en 95 procent effektivitet. 20 nr. 2 | februar 2023 -

KOMPONENTER Enkel I²C-busisolering med diskrete komponenter I²C-busapplikationer kræver nogle gange en isolering af højvoltdelen i designet for sikker og pålidelig brug. En enkel løsning med diskrete optiske isolatorer er let at implementere og giver både fleksibilitet og besparelser i eksempelvis industrielle applikationer Af Torsten Siems, senior FAE, Toshiba Electronics Europe GmbH Det Inter-Integrated Circuit (Kredsløb – I²C) blev introdu- ceret som bus i 1980’erne til kommunikation mellem en værts-CPU og periferi til for- mål som konfiguration, moni- tering og kontrol. I²C var op- rindeligt tiltænkt kommunika- tion på board niveau og med kort rækkevidde, men suc- cesen har mangedoblet an- vendelsesområderne, ligesom den maksimale datahåndte- ring er vokset til at omfatte 100kHz som standardmode, 1MHz i såkaldt Fast Mode Plus samt 5MHz i Ultra-Fast Mode Plus. Standarden specificerer en totrådsforbindelse med tovejs dataudveksling og clock, der er let at implementere. I²C’s enkle udformning og effekti- vitet har senere ført til stan- darder med lignende under- liggende kommunikations- principper i SMBus og PMBus. I²C bruger typisk én controller (mikro eller SoC) samt én el- ler flere target-komponenter. Controlleren har open-collec- tor I/O’er, der kan trække data- (SDA) og clock- (SCL) linjer til low, og som derfor behøver en pull-up resistor, så multiple controllere og targets kan ek- sistere sammen uden at skabe sammenstød på linjerne. Controlleren bruger en SDA- linje til valg af det target, der skal adresseres, samt registret inde i dette target. Target re- turnerer de ønskede data over SDA-linjen. Targets bruger også SDA-linjen til anerken- delse af modtagelse af re- questen (ACK, acknowledge) ved at holde SDA low eller at nægte korrekt modtagelse Figur 1: Fleksibel, prisbillig I²C-busisolering. (NACK) ved at lade SDA blive trukket høj. SCL-linjerne kontrollerne ha- stigheden for datakommu- nikationen over bussen. Det signal er typisk envejs, om end et target kan få mere tid til at besvare en request – om nød- vendigt – ved at holde både SCL og SDA low under genere- ring af en ACK. Det fænomen kaldes også ”clock-stretching”. Behov for isolering Med I²C-bussens øgede po- pularitet er behovet for større distancer også steget. I disse situationer giver forskelle i jordpotentialet mellem de for- bundne komponenter proble- mer med støj. Desuden kan kritiske komponentværdier som negativ I/O-spænding blive overskredet. I²C bruges også til kommu- nikation mellem kredsløb, der ikke kan have en fælles jordreference som industrielt automationsudstyr og -drev, solcelle mikroinvertere og medicosystemer, der kræver sikkerhedsisolering mellem I²C-styringssignalerne og net- forsyningen. I disse situationer kræves en bekvem isolering mellem I²C-forbindelserne. Integrerede, digitale isolator- IC’er, der kan implementere hele isoleringskredsløbet i én samlet komponent, er til rå- dighed på markedet. De er let- te at bruge, men er også dyre løsninger, hvor en designer måske ikke har adgang til en second source-komponent, hvis der skulle opstå proble- mer med leverancerne. En isoleret forbindelse kan designes med standard opto- koblere, om end de kan give visse komplikationer. Ét er den tovejs natur af SDA- og SCL- linjer, hvor optokoblere typisk er envejs komponenter. Des- uden skal en valgt komponent have open-collector outputs, hvis bussen skal kunne styres ordentligt. Optokoblere skal også kunne opfylde timing-kravene i I²C- specifikationen. Ét aspekt er ACK/NACK-responsen fra target til controlleren. ACK/ NACK-signalet skal være validt efter en setup-tid (tVD; ACK) på mellem 3,45µs i standard- mode (100kHz) og 0,45µs i Fast Mode Plus (1MHz). Der er også timing-constraints for data- setup. Et target skal kunne ud- føre setup af SDA-signalet in- den for 250ns efter den falden- Figur 2: Ydelse for en isoleret I²C-forbindelse. de flanke fra den foregående clock-bit i standardmode (iføl- ge tabel 11 i I²C-specification 1) og inden for 50ns i Fast Mode Plus. Figur 1 viser, hvordan to par op- tokoblere kan indsættes i SDA- og SDL-linjerne for at give iso- lering og samtidig opretholde en tovejs kommunikation. Kredsløbsdrift SDA- og SCL-stierne i kreds- løbet arbejder på en identisk måde. Hvis vi ser på SDA-sti- en, så trækker modstand R1 SDA-signalet op fra den ikke- isolerede side (NIS) til forsy- ningen, mens R8 trækker SDA op på den isolerede side (IS). Modstandsværdierne afhæn- ger af den valgte forsynings- spænding, den kapacitive belastning set fra controller eller target samt optoisola- torens output-karakteristika. I²C-specifikationen (chapter 7.1) definerer de maksimale og minimale værdier: R_p(max) =t_r/(0,8473 × C_b ), og R _(p (min)) = ( V_ D D -V_ (OL(max)))/I_OL, hvor tr er den maksimalt tilla- delige stigetid for den valgte driftstilstand, og Cb er den forventede buskapacitans. VOL og IOL er optoisolatorens low-level output spænding og -strøm. Kredsløbet har i sin default- tilstand SDA trukket high på begge sider. Når NIS SDA- signalet er trukket low, lø- ber strømmen gennem R4 og LED’en i optokobler, IC2. Den overrækker zero state til SDA-signalet, når det bliver trukket low af IC2’s output og småsignal barrieredioden, D2. Reverse-pol implementerin- gen af LED’en i IC1 forhindrer returnering af zero state til NIS-siden, hvorved man und- går en permanent zero state. Resultatet er, at en symmetrisk zero state genereret ved SDA på IS passerer til NIS på den samme måde. Metoden kræver 20 kom- ponenter, bestående af fire optokoblere, fire dioder og de tilhørende passive kom- ponenter. Dioderne adskiller det sendte signal fra retur- signalet på de tovejs SDA- og SCL-store. De skal have en lav kapacitans – eksempelvis i form af Schottky barrieredio- der (SBD) for at sikre lav støj og forvrængning – især ved de højeste signalhastigheder. Småsignaltyper rækker rige- ligt. De skal også have en lav forward-spænding, Vf, for at sikre, at lavspændte signaler opfylder I²C-specifikationen (VIL = 0,3VDD). Blandt de egnede open-collec- tor optoisolatorer finder man Toshiba TLP2362, der giver 3.750Vrms isolering og opfyl- der I²C-busspecifikationerne. Den maksimale datarate er 10Mbit/s. Da det maksimale output for lavspænding, VOL, på TLP2362 er 0,6V (0,2V ty- pisk) sikrer en SBD med 0,3V VF, at VIL er inden for specifi- kationerne selv med en VDD på 3,3V. Egnede dioder fra Toshiba inkluderer DSF01S30L og DSR01S30SL. Der kræves kun en enkelt keramisk 1µF bypass-kondensator mellem hver af TLP2362’s forsynings- pins for at stabilisere output- logikkens drift. I²C-periferi kan variere i stort omfang, så det er værd at tjek- ke, at komponenterne brugt i det viste kredsløb kan levere nok strøm til optoisolatorens interne LED. TLP2362’s input- tærskelstrøm, IFHL, er mak- simalt 5,0mA (typisk 1,0mA). Hvis en lavere strøm er nød- vendig, så kan TLP2363 for- synet fra 3,3V levere en mak- simal IFHL på 2,4mA (typisk 0,9mA). Har man brug for endnu hø- jere isoleringsspændinger og krybeafstande, så kan det tænkte design modificeres til brug med TLP2768, som iso- lerer op til 5.000V. Hvis clock- hastigheden er et problem, så kan man overveje den hurti- gere TLP2368. TLP2309 kan bruges til højere logikniveau- er fra 3V til 30V for en direkte isolering af LIN-bussen. Figur 2 viser den waveform, der går gennem optokoble- ren. Den rene form med et næsten symmetrisk delay er omtrent 60ns og rigeligt in- den for kravene til fastmode (400kHz) I²C-drift. En høj integration er ofte på- krævet ved implementering af kredsløb som isolering af I²C-busforbindelser. Hvis en høj grad af fleksibilitet eller en lavere pris er ønsket, så er en løsning med brug af diskrete optoisolatorer en mulighed. Kravet er dog, at de opfylder I²C timing-specifikationerne og har den nødvendige open-collec- tor output-konfiguration. - nr. 2 | februar 2023 21

    ...