高效率數(shù)字反激式氮化鎵快充原理與應用

氮化鎵是第三代半導體的代表材料。研發(fā)之初是用于制造出顏色從紅色到紫外線的發(fā)光二極管，1990年起開始被廣泛應用于發(fā)光二極管上，目前被廣泛應用于功率器件、集成電路、光電子、軍工電子、通訊等領域中。據(jù)市場研究機構(gòu)Yole預測，在消費類電源市場，2026年氮化鎵的規(guī)模將從2020年的2900萬美元，增長至6.72億美元，年復合增長率高達69%。

氮化鎵具備的高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優(yōu)勢讓它成為了更好支持電子產(chǎn)品輕量化的關鍵材料。近些年，氮化鎵快充電源成為市場新寵，而反激式開關電源因電路簡單、高效、容易實現(xiàn)多路輸出等諸多優(yōu)勢得以讓它在氮化鎵快充中得到廣泛應用。

日前，電源網(wǎng)深圳研究中心技術總監(jiān)黃亭帶來《高效率數(shù)字反激式氮化鎵快充原理與應用》的全面解讀。基于數(shù)字控制的反激電源，采用氮化鎵開關的同時將增強的I2C接口與有源鉗位的高效特性相結(jié)合，實現(xiàn)高頻高效USB PD快充解決方案，本次直播分享其工作原理和應用。直播在電子星球直播間與電源網(wǎng)直播間同步播出。

快充設計的難點就是讓功率盡量大和體積盡量小，并且支持100-240W的解決方案，更少的BOM器件數(shù)量，實現(xiàn)更高的開關頻率、更低的開關損耗、更高的效率等。

知識要點回顧

在直播中，電源網(wǎng)深圳研究中心技術總監(jiān)黃亭指出，Power Integrations一直是領先的USB PD設計及應用的革新者。從2015年推出第一代InnoSwitch&FluxLink到2018年推出集成GaN的PowiGaN，再到2022年推出InnoSwitch系列第四代升級版產(chǎn)品InnoSwitch4-Pro，PI再挖氮化鎵潛力，持續(xù)深耕消費電源市場。

在詳細說明高效率數(shù)字反激式氮化鎵快充原理與應用時，他拿InnoSwitch4-Pro舉例。InnoSwitch4-Pro是一款使用有源鉗位的數(shù)字可編程反激式氮化鎵開關芯片產(chǎn)品系列，它集合了InnoSwitch4有源鉗位的工作方式與I2C接口靈活的可編程特性，具有廣泛適用性，支持包括UFCS、USB-PD、PPS在內(nèi)的任何通訊協(xié)議和其它各種客戶定制化協(xié)議，兼容CC1和CC2、D+ & D-命令輸入，電源狀態(tài)報告功能，保護特性可編程設定。同時通過不受外部協(xié)議影響的接口(I2C)對電源的各種特性進行控制，簡單的接口加上高頻有源鉗位工作意味著可實現(xiàn)極小尺寸的設計。

PI InnoSwitch4-Pro體積小巧的原因是InnoSwitch家族IC將初級、次級和反饋電路同時集成到一個表面貼裝離線式反激開關IC中，所有InnoSwitch IC都集成了初級開關管、初級側(cè)控制器、具備同步整流驅(qū)動的次級側(cè)控制器以及可省去光耦器的創(chuàng)新性的FluxLink技術。這讓電源芯片的封裝得以實現(xiàn)高度集成，有利于降低充電器設計的體積。InnoSwitch4技術增加了零電壓開關特性，更高的開關頻率，卻不會帶來效率的降低，包含線電壓檢測及給外部微處理器供電的情況下，空載功耗可達到30mW以下；采用穩(wěn)定耐用的750V PowiGaN氮化鎵初級開關，穩(wěn)態(tài)開關頻率高達140kHz，輸出可達220W，非常適合小型化平面變壓器的應用場合。

除此之外，InnoSwitch4-Pro還增添了新特點及擴展的指令集，集成了新的故障保護類型及增強特性，如輸入/輸出過壓/欠壓(OV/UV)保護特性，ISSC/CCSC特性，VBUS開關短路故障保護特性，代碼更加簡化、響應更快速、有更多可選項；可選ACF或QR(無ClampZero)的工作模式，搭配ClampZero IC可回收漏感能量實現(xiàn)零電壓開通(ZVS)提供最佳的效率表現(xiàn)及使用更小的磁性元件，當與HiperPFS-5搭配構(gòu)成兩級變換時效率最高可達95%，支持更高的開關頻率，利于使用更小的磁性元件；可選的僅斷續(xù)模式（DCM only）的工作方式可在負載跳變期間降低同步整流管的電壓應力。

InnoSwitch4系列產(chǎn)品是基于InnoSwich3-Pro系列產(chǎn)品成功經(jīng)驗進行更新迭代的產(chǎn)品。

在封裝方面，InnoSwitch4-Pro的InSOP-28D封裝(MSL 3)的加寬的爬電間距和空間間距>11 mm，易于滿足國際安全標準要求，也可滿足中國5000m海拔地區(qū)的間距要求。

在設計支持工具方面，InnoSwitch4-Pro擁有完整的支持工具，包括PI Expert套件、RDK-942, DER-960參考設計。使用InnoSwitch4-Pro + ClampZero IC的65W輸出USB PD 3.0 + PPS設計的RDK-942參考設計套件，通用輸入范圍為90 - 265VAC，230VAC輸入下空載功耗<25mW，65W輸出，115VAC輸入時，平均效率為92.3%；230VAC輸入時，平均效率為93.4%。使用HiperPFS-5 InnoSwitch4-Pro + ClampZero IC的100W輸出USB PD 3.0 + PPS設計的DER-960參考設計套件，通用輸入范圍同樣為90 - 265VAC，230VAC輸入下空載功耗<50mW，100W輸出，115VAC輸入時，平均效率為>92%；230VAC輸入時，平均效率為>93%。使用InnoSwitch4-Pro+ClampZero IC+MinE-CAP器件，可以進一步降低適配器的尺寸。MinE-CAP IC同樣基于PowiGaN技術，可將輸入電容的尺寸減小約40%。

UFCS是中國用于配件適配器市場的新興標準，作為中國推廣通用充電標準的一部分。因為InnoSwitch4-Pro是不依賴于協(xié)議的產(chǎn)品，可以和所有標準協(xié)同工作，所以同樣兼容UFCS協(xié)議。

實測與拆解

在實測部分，黃亭老師演示的是基于InnoSwitch4-Pro的140WPD3.1快充。因為他使用了1米充電線和用電器進行測試，所以不可避免地產(chǎn)生了一點損耗，但在進行28V5A、20V5A、15V3A、9V3A、5V3A條件下的掃描測試時，效率都達到了91%以上，并且負載效率曲線非常平坦，整機的效率非常高。總的來說，這個快充解決方案表現(xiàn)出了非常出色的性能。

在拆解部分，我們發(fā)現(xiàn)，該解決方案使用了四顆PI芯片，其中包括一顆INN3378C，兩顆INN4576F，以及一顆PFC控制芯片PFS5278F。這是一個非常經(jīng)典、高效的快充解決方案。

直播期間，黃亭老師的精彩分享引得在線網(wǎng)友踴躍提問，電源網(wǎng)還不時放送現(xiàn)金紅包獎勵，多輪微信紅包相繼開出。在直播結(jié)束之后大家紛紛表示，這次直播讓人受益匪淺，以后一定要多多舉辦。

期待領先的USB PD設計及應用的革新者Power Integrations，未來能與各位網(wǎng)友工程師一起深入探討技術更多話題！下次再會！

審核編輯：湯梓紅