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>產(chǎn)品新聞>泰高技術(shù)推出市面首款 240W 氮化鎵 USB PD3.1多口快充電源方案
2022-05-03
泰高技術(shù)在四月推出了一款采用分立器件的PFC+LLC拓撲的210W氮化鎵電源模組方案，這電源模組方案已在知名線上媒體網(wǎng)站獲得上萬播放量，網(wǎng)友們評論激烈，這類小巧高效的電源產(chǎn)品對市場有一定的吸引力。210W的氮化鎵電源模組方案，一共使用四顆泰高技術(shù)第一代的 TP44200NM 合封氮化鎵開關(guān)管，分別在PFC和LLC上，兩顆用于PFC升壓，兩顆組成LLC半橋，能夠顯著減小了大功率電源體積。
泰高技術(shù)最新推出了一款240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源方案，采用可編程數(shù)字電源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓撲，同時運用4顆泰高技術(shù)第二代的 TP44100SG 合封氮化鎵開關(guān)管，實現(xiàn)“更高效率，更大功率，更小體積，更低發(fā)熱?！?/span>
240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源方案采用了新一代氮化鎵方案，PCBA 三圍尺寸為75.8*59.4*29.6mm3，大小與蘋果61W單口充電器相比小了20%體積，按照額定輸出功率240W計算，其功率密度高達1.8W/cm3；泰高技術(shù)實現(xiàn)了國內(nèi)首家針對240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源方案中功率密度超過1.75W/cm3的參考設(shè)計。
泰高技術(shù)這款240W氮化鎵電源參考設(shè)計使用可編程數(shù)字電源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓撲，輸出恒壓為29.5V，搭配二次降壓電路，使得氮化鎵充電器擁有 2C1A 共三個輸出口的配置，其中USB-C1支持140W輸出，USB-C2支持100W輸出，USB-A口支持30W輸出，三口支持同時快充輸出，性能強勁。USB-C1是基于USB PD 3.1新標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，支持 28V5A 140W大功率輸出，適配Macbook Pro 2021滿血快充。向下兼容USB PD 3.0，還支持市面各種常見的快充協(xié)議，不管是未來新快充標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，還是主流設(shè)備都能通吃，并照顧多設(shè)備充電需求。
充電頭網(wǎng)已經(jīng)拿到泰高技術(shù)這款240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源方案參考設(shè)計，下面就帶來這款電源設(shè)計以及測試解析。
泰高技術(shù) 240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源方案參考設(shè)計外觀
泰高技術(shù)240W的氮化鎵USB PD3.1 多口快充電源方案參考設(shè)計采用可編程數(shù)字電源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓撲，固定電壓輸出，搭配三路獨立的同步降壓電路，滿足USB PD3.1 140W+USB PD3.0 100W同時輸出。
這款電源模塊主要由兩塊較大的PCB組成，其中上層PCB為同步整流輸出和同步降壓部分，下層PCB為PFC+LLC的初級電源部分，初級電源的零件布局是由于采用可編程數(shù)字電源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓撲與泰高技術(shù)第二代的 TP44100SG 合封氮化鎵開關(guān)管，就顯得更加緊湊與簡單。
電源背面是四顆泰高技術(shù)第二代的 TP44100SG 合封氮化鎵開關(guān)管，碳化硅二極管和一顆二合一控制器。
兩塊板子之間緊密的排列著PFC升壓電感、LLC變壓器、濾波電容等體積較大的插件物料，除了背面的氮化鎵器件外，其余發(fā)熱較高的器件都放在中間，散熱體驗更好。
三個接口的小板焊接在上層PCB上，同時在下層PCB上增加焊點為固定作用。
側(cè)面一覽，左側(cè)排針連接光耦用于輸出電壓反饋，右側(cè)USB-A小板焊接降壓電路。
左側(cè)是輸入濾波器件，綠色電容為LLC諧振電容，電容后面是諧振電感，右側(cè)為LLC變壓器，初級焊接在下層PCB上，次級直接焊接到上層PCB上進行同步整流。
輸入濾波和整流電路一覽。
使用游標(biāo)卡尺測得PCB模塊長度為75.8mm。
寬度為59.4mm。
測得厚度為29.6mm。
測得參考設(shè)計重量約為181克。
泰高技術(shù) 240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源參考設(shè)計解析
首先從輸入端開始，逐一介紹這款電源的用料和設(shè)計。
電源輸入端延時保險絲規(guī)格為5A 250V。
輸入端黑色NTC熱敏電阻，用于上電浪涌電流抑制。
10D561K壓敏電阻，用于輸入過壓保護。
第一級共模電感，采用多層絕緣線繞制，綠色磁環(huán)，左側(cè)是黃色X電容。
最左側(cè)是整流輸出的濾波薄膜電容，中間是整流橋，右側(cè)是第二顆共模電感，外套熱縮管絕緣。
兩顆紅色薄膜電容之間是濾波電感，外套熱縮管包裹絕緣，為PFC輸入濾波。
泰高技術(shù) 240W氮化鎵快充參考設(shè)計使用NXP恩智浦 可編程數(shù)字電源芯片 TEA2016AAT 二合一控制器用于PFC和LLC控制。芯片內(nèi)部集成高壓啟動和X電容放電，集成PFC控制器、LLC控制器以及對應(yīng)的驅(qū)動器，PFC支持DCM和QR運行模式。
TEA2016AAT內(nèi)置數(shù)字架構(gòu)，基于高速的數(shù)字內(nèi)核控制器，PFC和LLC運行參數(shù)和保護參數(shù)可設(shè)置，為高度可靠的實時性能提供保障。并且TEA2016AAT具有高轉(zhuǎn)換效率和低待機功耗。
PFC升壓開關(guān)管使用兩顆泰高技術(shù)第二代的 TP44100SG 合封氮化鎵開關(guān)管。泰高技術(shù) TP44100SG 是一顆650V耐壓，瞬態(tài)耐壓750V，90mΩ導(dǎo)阻的增強型合封驅(qū)動器氮化鎵開關(guān)管，支持0V~20V PWM 信號控制，支持傳統(tǒng)控制器和氮化鎵直驅(qū)控制器使用。
在這兩種情況下都不需要外部供電VCC。歸功于 TP44100SG 合封氮化鎵開關(guān)管不需要VCC供電，應(yīng)用在PFC＋LCC 或 無橋PFC＋ AHB 等大功率拓撲的設(shè)計提供更可靠與更簡單的設(shè)計。針對 TP44100SG 合封氮化鎵開關(guān)管做并聯(lián)去應(yīng)用輸出電流大于60A的設(shè)計，其外圍器件簡單并且可以實現(xiàn)最多6顆合封氮化鎵開關(guān)管做并聯(lián)。
泰高技術(shù)TP44100SG支持單管，半橋應(yīng)用，適用于AC-DC，DC-DC，DC-AC應(yīng)用，支持標(biāo)準(zhǔn)PFC和圖騰柱PFC應(yīng)用，支持高頻LLC應(yīng)用，支持快充、筆記本電源等充電應(yīng)用。支持LED照明、電機驅(qū)動與服務(wù)器電源應(yīng)用。
泰高技術(shù) TP44100SG 采用QFN5*7mm2封裝，具有加強的散熱性能，其散熱的性能足跟市面上QFN6x8mm2 與 QFN8x8mm2 芯片封裝相競爭，封裝具有低電感，適合高頻高功率密度電源使用。
PFC開關(guān)管電流檢測電阻，采用2512封裝合金電阻，33mΩ。
PFC整流管使用泰科天潤 G5S6506Z，是一顆耐壓650V，162℃下工作電流6A，最高工作溫度175℃的碳化硅二極管，使用DFN5*6封裝。其具有零反向恢復(fù)特性，相比快恢復(fù)二極管更低的正向壓降，適合PFC功率因數(shù)校正電路使用。
泰科天潤 G5S6506Z 詳細資料。
PFC電路旁路二極管，絲印US5M，消除上電對PFC電路的沖擊。
高壓濾波電容使用兩顆并聯(lián)，其中一顆規(guī)格為120μF 420V。
另外一顆為33μF 420V。
LLC半橋使用兩顆泰高技術(shù) TP44100SG 合封氮化鎵開關(guān)管組成，TP44100SG 的外圍電路簡單。應(yīng)用半橋設(shè)計去驅(qū)動一顆 TP44100SG 只要2個電阻,1個電容,1個6.2V穩(wěn)壓管等簡單零部件組成，最大優(yōu)化其產(chǎn)品可靠性與設(shè)計簡單。
泰高技術(shù) TP44100SG 氮化鎵開關(guān)管特寫。
LLC諧振電容特寫，來自捷威，MPP92-BOX諧振電容，高頻損耗小，噪聲小，使用樹脂外殼封裝，并使用環(huán)氧樹脂灌封，耐候能力提升，一致性好。電容規(guī)格為33nF，1000V耐壓。
LLC變壓器特寫，使用絕緣膠帶嚴(yán)密包裹。
介紹完下層PCB功率級器件，下面來到上層PCB板。
貼片Y電容來自特銳祥，型號TMY1222M，具有體積小、重量輕等特色，非常適合應(yīng)用于氮化鎵快充這類高密度電源產(chǎn)品中。
特銳祥專注于被動元器件的研發(fā)、生產(chǎn)及銷售，注冊資本1億元。旗下有自主電容品牌兩類：SMD TRX及DIP TY電容器，TRX將致力于陶瓷材料的研究，以拓展更多品類的應(yīng)用，為客戶提供更多的解決方案。
充電頭網(wǎng)了解到，特銳祥貼片Y電容除了被麥多多100W氮化鎵、OPPO 65W超級閃充氮化鎵充電器、聯(lián)想90W氮化鎵快充、努比亞65W氮化鎵充電器、倍思120W氮化鎵+碳化硅PD快充充電器等數(shù)十款大功率充電器使用外，也可應(yīng)用于海陸通、第一衛(wèi)、貝爾金等品牌20W迷你快充上，性能獲得客戶一致認可。
1019光耦用于輸出電壓反饋。
同步整流控制器來自NXP恩智浦，TEA1995T，內(nèi)置兩個同步整流驅(qū)動器，用于LLC拓撲開關(guān)電源同步整流。外圍器件精簡，待機功耗低。
兩顆同步整流管均來自維安，WMB040N08HGS，NMOS，耐壓80V，導(dǎo)阻3.2mΩ，采用PDFN5060-8L封裝。
另外一顆同步整流管，對應(yīng)LLC變壓器兩個次級線圈。
兩顆濾波固態(tài)電容來自NJcon永立，規(guī)格為330μF 35V。
輸出的交流電經(jīng)過整流濾波后為直流電，送入三路獨立的降壓電路。
其中一路降壓電路特寫。
同步降壓控制器使用英集芯IP6550，英集芯 IP6550 是一款支持 36V 輸入的同步降壓控制器，內(nèi)置 NMOS 管驅(qū)動，外置兩個 MOS 管進行高效同步整流降壓。IP6550 通過反饋引腳調(diào)節(jié)輸出電壓。開關(guān)頻率 135KHz，輸入端耐壓 48V，內(nèi)置完善的保護功能。
同步降壓開關(guān)管使用兩顆銳駿半導(dǎo)體RUH4040，NMOS，耐壓40V，導(dǎo)阻5.5mΩ，采用PDFN3333封裝。
磁環(huán)降壓電感特寫，內(nèi)部打膠固定。
輸出濾波固態(tài)電容，來自云星，220μF 35V。
78L05三端穩(wěn)壓芯片，用于電路中芯片供電。
另外一路IP6550降壓電路。
同樣的兩顆MOS管用于降壓。
磁環(huán)降壓電感特寫，內(nèi)部打膠固定。
輸出濾波固態(tài)電容，來自云星，220μF 35V。
用于降壓輸入濾波的云星固態(tài)電容，220μF 35V。
USB-A口使用智融SW3526多協(xié)議充電芯片輸出，SW3526支持USB-C和USB-A口輸出，芯片內(nèi)部集成3.5A高效率同步降壓轉(zhuǎn)換器，支持PPS、PD、QC、AFC、FCP、SCP、PE、SFCP、低壓直充等充電協(xié)議，支持CC/CV模式，外部僅需少量器件。
對應(yīng)的降壓電感和濾波電容。
USB-C以及USB-A輸出接口特寫。
泰高技術(shù) 240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源參考設(shè)計部分測試數(shù)據(jù)
輸出電壓測試：
泰高技術(shù)240W氮化鎵快充參考設(shè)計能夠滿載工作在 90Vac-264Vac 范圍的工作條件下，板上輸出空載電壓范圍為29.51-29.53Vdc，輸出負載電壓范圍為29.5-29.53Vdc，輸出電壓隨負載變化輕微，有良好的電壓調(diào)整率。240W氮化鎵快充設(shè)計搭配三路獨立降壓電路，實現(xiàn)了140W+100W的PD快充輸出。
紋波噪音測試：
110Vac輸入電壓下，滿載測試，測得紋波為246mV。
220Vac輸入電壓下，滿載測試，測得紋波為164mV。
轉(zhuǎn)換效率測試：
在90Vac-264Vac輸入電壓范圍內(nèi)， 240W氮化鎵快充板端平均轉(zhuǎn)換效率大于94.3%；其中220Vac輸入，滿載輸出效率為96.0%。240W氮化鎵快充最大待機功耗200mW，符合能效六級的應(yīng)用要求。
關(guān)鍵元件溫度測試：
使用Fluke TI200紅外熱成像儀對PCB進行測溫，環(huán)境溫度30℃。
240W氮化鎵快充在90Vac輸入，滿載輸出條件下90分鐘，LLC驅(qū)動氮化鎵 TP44100SG 溫度109℃；PFC驅(qū)動氮化鎵 TP44100SG 溫度為106℃；LLC變壓器溫度為97.℃；輸出同步整流管溫度為103℃。
240W氮化鎵快充在220Vac輸入，滿載輸出條件下90分鐘，LLC驅(qū)動氮化鎵 TP44100SG 溫度85℃；PFC驅(qū)動氮化鎵 TP44100SG 溫度為108℃；LLC變壓器溫度為103℃；輸出同步整流管溫度為97℃。
接口輸出功率測試：
泰高技術(shù)240W氮化鎵快充輸出策略，USB-C1接口支持140W快充，獨立固定，不受功率分配影響，USB-C2與USB-A1均獨立支持快充，支持功率智能分配。
USB PD3.1快充標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布數(shù)月之久，這期間，泰高技術(shù)誕生了首款240W 氮化鎵 USB PD3.1快充充電器，加速新標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)化應(yīng)用，也縮短客戶領(lǐng)先同行的產(chǎn)品開發(fā)時間。
泰高技術(shù)的240W氮化鎵快充充電器參考設(shè)計，通過使用氮化鎵開關(guān)管配合PFC+LLC的高效架構(gòu)，能滿足客戶端小體積而又高效的電源設(shè)計。參考設(shè)計已經(jīng)在國家級實驗室里已經(jīng)通過EMI/EMC測試，并且有足夠余量，能直接提供PCBA給終端品牌客戶生產(chǎn)，以利于品牌客戶縮短開發(fā)產(chǎn)品周期。
泰高技術(shù)目前已推出多款完整的氮化鎵快充解決方案，現(xiàn)有包括大功率PD充電器應(yīng)用的有210W / 240W ，氮化鎵插線板應(yīng)用的有65W 1C+2A / 2C+1A兩種設(shè)計，未來也會開發(fā)300W以上的鋰電池充電器與750W 礦機電源與2.5KW 雙向OBC戶外電源方案等，有需求的伙伴或是客戶可以與泰高技術(shù)的業(yè)務(wù)團隊聯(lián)系，獲取更多產(chǎn)品詳細信息。
郵箱地址：ttsales@tagoretech.com.cn
關(guān)于泰高技術(shù)
深圳市泰高技術(shù)有限公司主要從事基于第三代半導(dǎo)體 硅（Si）基氮化鎵 及 碳化硅（SiC）基氮化鎵技術(shù)的集成電路研發(fā)和銷售，所研發(fā)的氮化鎵芯片已經(jīng)被超過 60 家歐美國際大公司及30家國內(nèi)大公司的采用。
泰高技術(shù)的研發(fā)團隊源于德國公司英飛凌, 其芯片設(shè)計中心位于美國芝加哥（Chicago），另外在印度設(shè)有研發(fā)分部，全球研發(fā)人員有 50 位以上， 其中超過 80% 研發(fā)人員擁有博士學(xué)歷。研發(fā)團隊的背景主要在射頻氮化鎵領(lǐng)域深耕超過 10 余年，具有卓越的芯片設(shè)計能力，現(xiàn)有產(chǎn)品包括 RF 射頻開關(guān)（GaN-On-Si 寬帶技術(shù)） 、 射頻高功率放大器（GaN-On-SiC DHEMT 技術(shù)）、電源功率芯片（GaN-On-Si EHEMT 技術(shù)）和 射頻低噪聲放大器（GaAs 技術(shù)） 四大系列，全部具有國際領(lǐng)先水平。
“泰高, 讓設(shè)計變簡單”是我們理想，實現(xiàn)這個理想得益于我們通過精巧的布局，使得工程師更加便捷設(shè)計，為產(chǎn)品更高效、更小、更可靠的全新解決方案帶來更多可能。
充電頭網(wǎng)總結(jié)
200W以上的電源通常又大又重，考驗著消費者的接受能力，市場上很少有品牌會推出功率這么大的快充電源，既是市場缺口，又很難令人接受。得益于氮化鎵新技術(shù)應(yīng)用在快充電源上，高頻高效的優(yōu)勢，能夠減小充電器中電感與變壓器的體積，還能減少散熱要求，通過使用氮化鎵技術(shù)并搭配小板組合焊接，能夠提升充電器空間利用率，幫助減小體積。
泰高技術(shù)推出的240W PD3.1氮化鎵快充參考設(shè)計，使用NXP恩智浦二合一控制器，內(nèi)置PFC和LLC控制器，簡化了電源初級設(shè)計。電源使用四顆泰高TP44100SG氮化鎵開關(guān)管，分別用于PFC升壓和LLC半橋，顯著提升了電源轉(zhuǎn)換效率，滿載效率達到96%以上，大大降低了發(fā)熱。
泰高技術(shù)這款240W氮化鎵電源參考設(shè)計采用恒壓29.5V輸出，搭配二次降壓電路，支持2C1A三接口輸出，USB-C1支持USB PD3.1 28V 140W輸出，USB-C2支持100W輸出，USB-A口支持30W輸出，三口支持同時快充輸出，性能強勁，能同時滿足兩臺筆記本大功率快充需求。同時參考設(shè)計還可以根據(jù)客戶需求定制，滿足不同電壓輸出以及接口需求。