近年来，在电源领域，USB PD/USB C和氮化镓（GaN）成为了两个关键词。USB PD能够提供大功率输出，在消费类设备（包括家电设备）中有一统天下之势。GaN开关管则由于出众的耐高温和高频、低损耗特性，成为高性能标杆电源产品设计的理想之选。那么，这两者是否有结合的可能呢？
实际上，如果你留意市场上的USB PD适配器产品，就会发现已经有包括Anker和Ravpower在内的许多非原装产品采用了基于GaN开关管的设计，而Power Integrations（PI）公司新发布的基于PowiGaN（即PI的GaN）的InnoSwitch3，就是其中之一。
日前，在PI的媒体见面会上，Power Integrations资深技术经理阎金光（Jason Yan）告诉记者，该公司已将PowiGaN开关技术（PI的GaN技术）扩展到了InnoSwitch3 IC（基于MOSFET的InnoSwitch 3的详细介绍，请见《反激式电源效率提升到94%，意味着哪些设计优势？》）当中，从而扩展了其使用范围。
阎金光介绍说，InnoSwitch3包括三个系列：InnoSwitch3-CP是恒功率应用；InnoSwitch3-EP适合敞开式应用（即嵌入式电源，适合微波炉等家电内部空气流通比较好，周围环境温度不太高的应用）；InnoSwitch3-Pro即可编程，带有I2C接口和MCU。
InnoSwitch3以前采用的是硅MOSFET开关管，对于65W以下应用没有问题。但若想提高功率输出，则需要用GaN开关管来代替。GaN等宽禁带器件适合高温应用，可以提高开关频率，使开关损耗（即开关期间电压和电流交叠部分）变小。其单位面积的RDS(ON)更小，因此也可使导通损耗（I2R）变小。这样InnoSwitch3的功率输出就可以拓展到最大100W的水平（敞开式）。
采用PowiGaN的InnoSwitch3适合对尺寸和效率有较高要求的应用，如下。
他补充说，为什么是非原装的USB PD适配器呢？GaN这项技术其实早在十几年前就已开始陆续研发，但一直无法进行可靠的大批量生产。业界都想尝试走到技术前端，但它会有一定风险性。因此现在市场上看到的还是非原装的USB PD适配器。但是随着这个市场起来，华为、小米等一线OEM原厂将会跟进。
“现在在市场上唯一能稳定大批量供货的厂商就是Power Integrations。目前没有一颗芯片因为技术问题而被返回原厂做质量分析。”他强调。
对于分立式GaN晶体管来说，它需要连接控制器，这在布局上就非常具有随意性。变压器周边元器件的误差可能对GaN开关带来危险，造成它损坏。因此PI将它集成到了IC中。
下图是反激电源的简单拓扑，反激电源一般用来提供150W以下输出功率，这在消费电子和车规电子领域用得非常普遍。InnoSwitch3中集成了一个初级侧功率开关，以及初级侧控制器和次级侧控制器，初级侧和次级侧之间通过FluxLink磁感应的方式耦合。
采用PowiGaN的InnoSwitch3只是把开关管替换成了GaN器件。频率不变，仍为100kHz。那么，既然GaN能够耐高温又能高频操作，为什么不工作在200或300kHz呢？阎金光解释说，如果增加工作频率，则开关损耗反而会增大。这样就会丧失GaN所带来的一些优势。你可能认为，开关频率增大可以使变压器做小，从而使电源的整个设计缩小。但真是如此吗？事实上，如果把开关频率做高，EMI就会增大，这样就要增加滤波元件，因此电源不见得能够做小。PI认为这里有个最佳平衡点，可以平衡电源体积和成本以及效率，因此并不主张工作在300k甚至400k。“GaN开关本身是没有问题的。但是随着频率增加，电源的整个指标会变差，需要花额外的成本把它修正过来，这样电源反而不能做到更小。”他补充说。
从下面的效率图可以看到，随着GaN开关管的使用，新的InnoSwitch3器件可以实现更低的单位面积RDS(ON)以及更高的输出功率和效率。
下面是GaN与MOSFET的开关损耗与导通损耗以及总损耗的对比。从图中可以看出，随着器件尺寸增大，GaN的开关损耗增加比MOSFET小很多，这是它能够工作在高频下的原因。
另外，PI的PowiGaN参考设计现已发布，目前主要是针对非常火的USB PD——现在越来越多的设备开始采用USB C口设计。从图中可以看出，该参考设计采用PCB敷铜的方式实现散热。
下面是业界第一个双USB C口方案（90W，每个口45W）。以前的双口输出方案是一个电源通过两个连接器实现输出。这种新方案实际是一个设备中封装了两个电源，它可以给一个或两个设备供电（比如充电电压不一的情况），里面用到了微处理器检测。
另外，PI也将PowiGaN技术扩展到了其LYTSwitch-6照明系列之中。LYTSwitch-6实际是InnoSwitch3在照明应用中的拓展。使用PowiGaN的LYTSwitch-6输出功率可以做到最高110W的水平——在照明应用中一般都会有前级功率因数校正（PFC），在有PFC的情况下，输出功率可以做到更大（InnoSwitch3是100W最大）。750V耐压对于照明应用优势更大——照明驱动器经常会因雷电原因而被损坏掉。
传统LED驱动器方案（反激电源）初级侧有一个控制器和一个MOSFET，同时执行电流检测。次级侧则是利用光耦进行反馈。次级整流采用同步整流，它采用单独的控制芯片。为了实现电压电流控制，需要执行相应检测，然后通过光耦把信息反馈到初级侧。
LYTSwitch-6则是实现了高度集成，它集成了PowiGaN/MOSFET开关、初级侧控制器、FluxLink、同步整流驱动、输出电压电流检测。
GaN开关管提高了LYTSwitch-6的性能，具体表现在更高的效率和输出功率。
由于是两级整流（PFC+反激变换），效率为两级的乘积，最高能够做到90.5%。
100W LED驱动器PowiGaN参考设计如下：
另外，PI Expert软件现已支持PowiGaN器件的设计。
此外，PI还同时发布了CAPZero-3产品，它适用于家用电器中的EMI滤波器部分。阎金光介绍说，电源功耗有很多种，例如电源的待机功耗，有一部分来自于X电容的放电电阻。X电容在功率比较大的设计中基本都会用到，它跨接在零线与火线之间，用来短路EMI。如果没有X电容，电源产生的EMI就会通过导线传导到电网中去。这样就会对电网上其他用电设备产生影响。
X电容有容量限制，当它在0.1μF以下时，不会产生安全问题。但若它容量较大，当用户把电源从墙上拔下时，如果没有放电电阻，用户就有可能触电。
放电电阻和X电容并联连接，也是跨接在火线和零线之间，也就是说始终有功耗，也就会产生待机功耗。CAPZero-3就是用于消除放电电阻在电源工作期间所产生的功耗。
CAPZero-3的工作过程如下所示。CAPZero-3可以实现智能检测，当检测到交流供电上电时，使放电路径开路；当检测到交流供电断开时，则迅速将放电电阻短接进来。因此，CAPZero-3其实也有功耗，但是只有4mW。
CAPZero-3可以使家电应用满足IEC6035标准要求。如果没有CAPZero-3，而是将电阻持续接入，阻值太大的话会增大待机功耗，太小的话又不能实现电容快速泄放。
此外，我们都知道LC滤波，如果想使用较小的（比如0.1μF）的X电容，要实现相同的滤波效果，就得使用较大的电感（比如1mH），这样就会增加电感成本。但如果采用2μF的电容，则采用500nH的电感就已足够，但是这就需要使用较大放电电阻。因此，采用CAPZero-3还可以降低电感成本。
家电设备有大有小，像洗衣机、冰箱这样的大功率设备当中可能有很多X电容并联连接（比如两级滤波），总电容值可能高达6μF。而不管其中用到几个X电容，由于它们都是通过导线连接，因此只需要采用一个CAPZero-3就可实现所有电容放电。
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