El RRW11011 de Renesas reduce el tamaño de los diseños de potencia GaN de 500 W con un solo chip para PFC y LLC

Diseñar una fuente de alimentación de CA/CC de alta potencia implica equilibrar requisitos contradictorios. Se espera una mayor densidad de potencia, lo que implica que la misma potencia en vatios quepa en un gabinete/recinto más pequeño. Además, las normas de eficiencia y de potencia en modo de espera son cada vez más estrictas con cada revisión, y la EMI y el calor deben seguir gestionándose dentro de ese volumen cada vez menor. Asimismo, el esquema de control suele dividirse entre un controlador de corrección de factor de potencia (PFC) independiente y un controlador de convertidor resonante independiente, lo que aumenta el recuento de componentes y el área de la placa. Renesas Electronics diseñó su RRW11011 para resolver estos desafíos combinando su control digital PFC entrelazado y LLC de media onda en un solo controlador del lado primario, diseñado para fuentes compactas basadas en GaN de hasta 500 W.

Dos funciones de control en un solo dispositivo

El RRW11011 (figura 1) es un controlador digital del lado primario de CA/CC que combina un controlador de corrección de factor de potencia (PFC) elevador entrelazado avanzado con un controlador de convertidor LLC de media onda, todo en un solo paquete DFN de 16 conductores. Reunir a ambos bajo el control digital inteligente de dos etapas de un único dispositivo permite coordinar las etapas resonante y de corrección de factor de potencia (PFC) como un sistema, en lugar de como dos bloques sintonizados de forma independiente. Esta coordinación ayuda a optimizar la eficiencia a la vez que minimiza las EMI (interferencias electromagnéticas) y el ruido audible. También reduce los costos de la lista de materiales (BOM) y simplifica el diseño general.

Figura 1: Diagrama de bloques funcional del RRW11011. (Fuente de la imagen: Renesas)

Por qué la corrección de factor de potencia (PFC) entrelazado importa aquí

La etapa de PFC utiliza una arquitectura entrelazada, que opera en dos fases de conmutación escalonadas y utiliza el control de desplazamiento de fase con una técnica de uso compartido de corriente bifásica para mantener el equilibrio. Debido a que las dos fases se alternan al absorber y suministrar corriente, sus corrientes de ondulación se cancelan parcialmente entre sí, lo que reduce tanto la ondulación de entrada en la línea como la ondulación de salida en el capacitor a granel. Esta cancelación parcial de la ondulación resulta beneficiosa de varias maneras. Primero, el diseño puede utilizar componentes de filtro y electroimanes más pequeños mientras reduce la EMI (interferencia electromagnética), lo que aumenta la densidad de potencia y disminuye el recuento general de componentes. Además, la etapa de PFC elevador integrada mejora el factor de potencia y reduce la distorsión armónica total, lo que ayuda a las fuentes de alimentación de alta potencia a cumplir con los requisitos de calidad de línea.

Los beneficios de la etapa LLC de media onda

Por lo general, los convertidores LLC se eligen por su conmutación suave y su alta eficiencia, y dependen de un transformador principal con un devanado auxiliar para generar un riel de voltaje bajo para alimentar sus circuitos internos. A modo de alternativa, el diseño LLC de media onda del RRW11011 emplea una técnica de detección directa de voltaje VHB con patente pendiente que elimina el devanado auxiliar del transformador y utiliza un control de conmutación de voltaje cero adaptativo y un control multimodo adaptativo para mantener la eficiencia alta y la EMI (interferencia electromagnética) baja en todo el rango de carga.

Diseñado para conmutación GaN

El RRW11011 está diseñado para controlar dispositivos de conmutación de nitruro de galio (GaN) y ese emparejamiento es donde la arquitectura alcanza su mayor densidad en la parte superior de la banda de potencia. Los interruptores de GaN mueven la carga más rápido y con menores pérdidas de conmutación que el silicio, lo que permite que el convertidor funcione a una frecuencia más alta. Esta frecuencia reduce los componentes del transformador y de los filtros, mientras que la menor pérdida de conmutación mantiene el presupuesto térmico manejable a medida que la potencia se acerca a los 500 W. La etapa LLC de media onda preserva el comportamiento de conmutación suave que mantiene eficientes a los convertidores resonantes. Renesas demostró el resultado en un diseño de adaptador de alimentación USB PD EPR de 240 W construido en esta plataforma, que logró una densidad de potencia de 3 W/cm³ y una eficiencia máxima del 96.5% a 230 V_CA.

Para mantener la eficiencia alta sin que el amplio rango juegue en su contra, el controlador RRW11011 aplica una regulación adaptativa VBULK, que ajusta el voltaje de bus intermedio a las condiciones de funcionamiento actuales en lugar de mantenerlo fijo, lo que mejora la eficiencia y ahorra energía. En cuanto a la protección, el dispositivo integra múltiples salvaguardas integradas, como la caída de tensión de la línea de CA, el cortocircuito de salida, la sobretensión de salida y el fallo del optoacoplador, entre otras.

Emparejamiento con el RRW30120 para una salida de amplio rango

Un controlador de lado primario de alta potencia todavía tiene que ofrecer una salida estrictamente regulada y las necesidades de la carga rápida moderna hacen que ese rango sea inusualmente amplio. El rango de potencia extendido (EPR) de USB Power Delivery elevó el límite de la carga USB-C a 240 W, o 48 V a 5 A, muy por encima de los niveles que admitían los dispositivos USB-C más antiguos. Para satisfacer esa necesidad, el RRW11011 está optimizado para funcionar junto con el RRW30120 (Figura 2), un controlador USB PD programable que gestiona el protocolo Power Delivery y la regulación de salida de bucle cerrado en un rango de 5 a 48 V.

Figura 2: Diagrama de bloques funcional del RRW30120. (Fuente de la imagen: Renesas)

La regulación en el lado secundario permite que el sistema controle el voltaje de salida justo donde se entrega, lo que se adapta a los objetivos estrictos y de cambio rápido de USB Power Delivery. Los controladores primario y secundario se coordinan a través de la barrera de aislamiento, por lo que la etapa de PFC, la etapa resonante y la regulación de salida se comportan como un solo sistema (Figura 3).

Figura 3: Un diagrama de aplicación típica para un cargador USB PD EPR. (Fuente de la imagen: Renesas)

Escalable en distintas aplicaciones y niveles de potencia

La combinación de un solo controlador integrado en el lado primario, la conmutación basada en GaN y una salida amplia regulada hace que el RRW11011 sea muy adecuado para adaptadores de CA/CC de carga rápida para teléfonos, tabletas y computadoras portátiles, así como para alimentación de televisores, herramientas eléctricas y bicicletas eléctricas. Se escala con la plataforma LLC de media onda más amplia desde aproximadamente 100 W hasta 500 W.

El RRW11011 también forma parte de una familia de cuatro CI diseñada para ser utilizada conjuntamente. Junto con el RRW30120, funciona con el controlador de compuerta GaN RRW40120 y el controlador rectificador síncrono RRW43110. Esa arquitectura compartida se transmite a través de productos a diferentes potencias, voltajes de salida y factores de forma sin necesidad de un rediseño desde cero.

Conclusión

Para los ingenieros que intentan construir fuentes de alimentación de alta potencia más pequeñas, que se calienten menos y sean más eficientes, el RRW11011 consolida la función de control en un solo dispositivo mientras satisface el amplio rango de salida que necesita la carga rápida moderna. Las especificaciones completas se detallan en la descripción general del producto del controlador digital RRW11011 de lado primario de CA/CC de 500 W.