從應(yīng)用到方案，GaN為高功率密度USB-PD設(shè)計(jì)助力

從應(yīng)用到方案，GaN為高功率密度USB-PD設(shè)計(jì)助力，WAYON維安方案設(shè)計(jì)代理商KOYUELEC光與電子

得益于近年來(lái)PD快充協(xié)議規(guī)范的快速發(fā)展與充電標(biāo)準(zhǔn)接口的產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口的USB Type-C PD電源，為移動(dòng)設(shè)備的便攜充電帶來(lái)了前所未有的便捷性。

對(duì)于便攜式電子設(shè)備，充電器的高功率能力非常重要，因?yàn)檫@意味著設(shè)備電池可以更快地完成充電。USB PD 3.0標(biāo)準(zhǔn)定義了電源輸出電壓和功率規(guī)范，以確保不同PD電源和設(shè)備之間的兼容性。根據(jù)其額定功率，電源輸出電壓為5V、9V、15V和20V四個(gè)電壓等級(jí)，允許通過(guò)的最大電流為3A。最大電流水平也可以提高至5A，但需要提供一條特殊的、帶電氣標(biāo)記的線纜以確保安全。

圖1 USB PD電源功率規(guī)范圖

隨著手機(jī)、筆記本、游戲機(jī)等都逐步加入對(duì)于PD快充協(xié)議的支持，PD充電器這個(gè)品類也開始在國(guó)內(nèi)外的充電器市場(chǎng)上百花齊放。采用USB Type-C接口的PD3.0協(xié)議電源，能根據(jù)便攜式設(shè)備的負(fù)載要求將輸出電壓提高到5V以上，在提供高達(dá)100W的功率的同時(shí)仍能向下兼容通用5V充電功能。這意味著用戶只需攜帶一個(gè)USB PD電源，即可滿足手機(jī)、筆記本等移動(dòng)設(shè)備的電池快速充電需求，方便且經(jīng)濟(jì)高效。移動(dòng)電子設(shè)備制造商不再需要為其產(chǎn)品配備電源適配器，這不僅降低了成本，而且減少了電子垃圾，改善了環(huán)境。

根據(jù)充電頭網(wǎng)的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前USB PD電源的主流功率段是65W，主流電源拓?fù)涫荙R準(zhǔn)諧振反激。主要原因是由于65W這個(gè)功率段覆蓋了主流移動(dòng)電子設(shè)備(手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦)的快充需求，傳統(tǒng)的QR準(zhǔn)諧振反激拓?fù)溆旨骖櫫讼M(fèi)類電子市場(chǎng)的性價(jià)比需求和成熟的上下游產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈。

圖2 PD快充電源產(chǎn)品功率分布

圖3 PD快充電源拓?fù)浞桨阜植?/p>

與傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體器件相比，以GaN為代表的WBG Device 第三代半導(dǎo)體在材料特性和電氣性能上體現(xiàn)出了飛躍性的技術(shù)進(jìn)步，如導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度較硅基器件約有近10倍的性能提升。

例如在USB PD電源應(yīng)用領(lǐng)域，采用GaN替代傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體開關(guān)實(shí)現(xiàn)功率方案，對(duì)電源功率密度的顯著提高是一項(xiàng)非常值得期待和普及的技術(shù)。目前GaN器件搭配高頻高效拓?fù)浜痛偶杉夹g(shù)的電源解決方案，推動(dòng)著USB PD電源產(chǎn)品朝著更加小型化和便攜性的方向發(fā)展。

圖4 第三代半導(dǎo)體的性能優(yōu)勢(shì)

圖5 PD電源的不斷小型化的市場(chǎng)迭代方向

毫無(wú)疑問(wèn)，GaN是實(shí)現(xiàn)電源小型化和高功率密度的關(guān)鍵器件。在一個(gè)65W手機(jī)快充的典型應(yīng)用中，用氮化鎵功率器件替代傳統(tǒng)硅器件，把開關(guān)頻率提高到原先的2倍，可以實(shí)現(xiàn)近5%的效率提升，節(jié)省15%~30%的系統(tǒng)體積和成本。目前移動(dòng)類消費(fèi)電子產(chǎn)品的電池續(xù)航能力依然沒(méi)有實(shí)質(zhì)性突破，所以USB-PD快充仍然是目前解決移動(dòng)電子設(shè)備電池續(xù)航焦慮的重要手段。

圖6 65W PD快充的一個(gè)典型應(yīng)用評(píng)估

應(yīng)用在消費(fèi)類電子充電器電源場(chǎng)合的65W USB-PD，需要采用隔離AC-DC電源，以便滿足安規(guī)要求，在系統(tǒng)層面亦有很多應(yīng)用要求和指標(biāo)。

AC輸入電壓范圍：

適配全球電壓90Vac~264Vac，50/60Hz

DC輸出：

USB-type C， 3V/9V/12V/20V 3A，20V 3.25A，65W Max

待機(jī)功耗：

<75mW，30~50mW

電磁兼容性:

EN55032 Class B (>6dB margin)

電源效率：

Ave Efficiency >91%

器件溫升：

Tc <95C@25C

功率密度：

1.5+ W/cc (Size≤35cc) for PCBA

系統(tǒng)異常狀況的保護(hù)功能:

OVP, OCP, SCP, OTP

如圖7是維安功率半導(dǎo)體方案研發(fā)部設(shè)計(jì)的一個(gè)典型的65W USB-PD整體解決方案。主功率拓?fù)涫莻鹘y(tǒng)QR準(zhǔn)諧振反激變換器;原邊使用650V高壓e-GaN和SSR IC控制器;副邊使用120V中低壓MOSFET和SR IC控制器以及反饋環(huán)路的431;協(xié)議部分使用了30V P-MOSFET和5V、12V、15V TVS。SSR IC通過(guò)檢測(cè)原邊開關(guān)管在VDS谷底處開通，實(shí)現(xiàn)零電流谷底開通，從而降低原邊開關(guān)管的開通損耗;副邊SR IC控制同步整流管實(shí)現(xiàn)相對(duì)低的導(dǎo)通損耗;協(xié)議部分采用PD3.0協(xié)議IC搭配P-MOSFET負(fù)載開關(guān)做輸出功率匹配。

圖7 維安USB PD快充整體解決方案

圖8則是對(duì)應(yīng)的實(shí)際電源系統(tǒng)方案的參考設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)PD方案的高效率, 原邊開關(guān)管使用了一款650V 150mΩ GaN WGB65E150S，副邊同步整流搭載一款120V 7.2mΩ的中低壓MOSFET WMB072N120LG2;變壓器采用了ATQ23.7，Bmax在最惡劣工況下有30%左右的設(shè)計(jì)裕量，降低了變壓器磁飽和的風(fēng)險(xiǎn)，配合SSR IC的各項(xiàng)異常保護(hù)功能從設(shè)計(jì)上保證了極限應(yīng)用的可靠性;同時(shí)將電源的開關(guān)頻率運(yùn)行在150kHz以內(nèi)，將整個(gè)系統(tǒng)PCBA體積做到了38cc，對(duì)應(yīng)的功率密度為1.88W/cc (30.7W/in3)。

圖8 USB PD 65W參考設(shè)計(jì)demo

圖9 65W完整方案的系統(tǒng)效率

圖10 EMI傳導(dǎo)

圖11 輻射CDN

為了驗(yàn)證這個(gè)65W USB-PD demo的關(guān)鍵性能，我們分別做了效率測(cè)試和EMI測(cè)試。從圖9的效率測(cè)試結(jié)果看，系統(tǒng)的平均效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DOE六級(jí)能效要求，滿載效率約為92%;10%負(fù)載的輕載效率也達(dá)到78%以上。圖10的EMI傳導(dǎo)裕量大于6dB，圖11用CDN模擬的輻射測(cè)試結(jié)果也滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

上述65W的參考設(shè)計(jì)是維安GaN在USB-PD應(yīng)用上的一個(gè)完整方案開發(fā)，利用GaN器件的高頻高效優(yōu)勢(shì)，結(jié)合Layout和變壓器方面的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將完整方案的功率密度做到了同類平臺(tái)更優(yōu)的水準(zhǔn)，方便客戶在當(dāng)前以小型化為主導(dǎo)的市場(chǎng)上去實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化;且系統(tǒng)效率和EMI性能均有很好的保障，掃除方案關(guān)鍵性能的障礙，以便客戶在后期產(chǎn)品研發(fā)階段快速評(píng)估和量產(chǎn)導(dǎo)入。

值得一提的是，上述65W USB-PD方案中使用了維安的多種產(chǎn)品組合，如原邊高壓E-GaN，副邊同步整流中低壓MOSFET，副邊電壓反饋基準(zhǔn)調(diào)節(jié)器431，協(xié)議負(fù)載開關(guān)應(yīng)用的低壓P-MOSFET，以及type-C口的TVS。具體型號(hào)見(jiàn)表1.

表1 維安USB PD快充解決方案對(duì)應(yīng)的器件料號(hào)

隨著人們對(duì)PD快充電源便攜性以及高效環(huán)保的重視，我們看到了GaN在快充市場(chǎng)應(yīng)用已經(jīng)成為大趨勢(shì)。如今，包含GaN在內(nèi)的廣義上的寬禁帶技術(shù)半導(dǎo)體能夠很好的滿足大批量應(yīng)用的嚴(yán)格要求，為原始設(shè)備制造商帶來(lái)更高的效率和功率密度，再搭配Si基半導(dǎo)體產(chǎn)品組合將為市場(chǎng)帶來(lái)更多選擇和便利性，降低系統(tǒng)成本和運(yùn)營(yíng)成本。

審核編輯：湯梓紅