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从应用到方案,GaN为高功率密度USB-PD设计助力

来源:维安电子

#维安电子#

2021-12-30

    得益于近年来PD快充协议规范的快速发展与充电标准接口的产业引导,采用统一标准接口的USB Type-C PD电源,为移动设备的便携充电带来了前所未有的便捷性。

    对于便携式电子设备,充电器的高功率能力非常重要,因为这意味着设备电池可以更快地完成充电。USB PD 3.0标准定义了电源输出电压和功率规范,以确保不同PD电源和设备之间的兼容性。根据其额定功率,电源输出电压为5V、9V、15V和20V四个电压等级,允许通过的最大电流为3A。最大电流水平也可以提高至5A,但需要提供一条特殊的、带电气标记的线缆以确保安全。

图1   USB PD电源功率规范图

    随着手机、笔记本、游戏机等都逐步加入对于PD快充协议的支持,PD充电器这个品类也开始在国内外的充电器市场上百花齐放。采用USB Type-C接口的PD3.0协议电源,能根据便携式设备的负载要求将输出电压提高到5V以上,在提供高达100W的功率的同时仍能向下兼容通用5V充电功能。这意味着用户只需携带一个USB PD电源,即可满足手机、笔记本等移动设备的电池快速充电需求,方便且经济高效。移动电子设备制造商不再需要为其产品配备电源适配器,这不仅降低了成本,而且减少了电子垃圾,改善了环境。

    根据充电头网的最新统计数据,目前USB PD电源的主流功率段是65W,主流电源拓扑是QR准谐振反激。主要原因是由于65W这个功率段覆盖了主流移动电子设备(手机、平板电脑、笔记本电脑)的快充需求,传统的QR准谐振反激拓扑又兼顾了消费类电子市场的性价比需求和成熟的上下游产业供应链。

图2   PD快充电源产品功率分布

图3   PD快充电源拓扑方案分布

    与传统硅基功率半导体器件相比,以GaN为代表的WBG Device 第三代半导体在材料特性和电气性能上体现出了飞跃性的技术进步,如导通电阻、开关速度较硅基器件约有近10倍的性能提升。

    例如在USB PD电源应用领域,采用GaN替代传统硅基半导体开关实现功率方案,对电源功率密度的显著提高是一项非常值得期待和普及的技术。目前GaN器件搭配高频高效拓扑和磁集成技术的电源解决方案,推动着USB PD电源产品朝着更加小型化和便携性的方向发展。

图4   第三代半导体的性能优势

图5   PD电源的不断小型化的市场迭代方向

    毫无疑问,GaN是实现电源小型化和高功率密度的关键器件。在一个65W手机快充的典型应用中,用氮化镓功率器件替代传统硅器件,把开关频率提高到原先的2倍,可以实现近5%的效率提升,节省15%~30%的系统体积和成本。目前移动类消费电子产品的电池续航能力依然没有实质性突破,所以USB-PD快充仍然是目前解决移动电子设备电池续航焦虑的重要手段。

图6   65W PD快充的一个典型应用评估

    应用在消费类电子充电器电源场合的65W USB-PD,需要采用隔离AC-DC电源,以便满足安规要求,在系统层面亦有很多应用要求和指标。

    · AC输入电压范围:

    适配全球电压90Vac~264Vac,50/60Hz

    · DC输出:

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

    · 待机功耗:

    <75mW,30~50mW

    · 电磁兼容性: 

    EN55032 Class B (>6dB margin)

    · 电源效率:

    Ave Efficiency >91%

    · 器件温升:

    Tc <95C@25C

    · 功率密度:

    1.5+ W/cc (Size≤35cc) for PCBA

    · 系统异常状况的保护功能:

    OVP, OCP, SCP, OTP

    如图7是维安功率半导体方案研发部设计的一个典型的65W USB-PD整体解决方案。主功率拓扑是传统QR准谐振反激变换器;原边使用650V高压e-GaN和SSR IC控制器;副边使用120V中低压MOSFET和SR IC控制器以及反馈环路的431;协议部分使用了30V P-MOSFET和5V、12V、15V TVS。SSR IC通过检测原边开关管在VDS谷底处开通,实现零电流谷底开通,从而降低原边开关管的开通损耗;副边SR IC控制同步整流管实现相对低的导通损耗;协议部分采用PD3.0协议IC搭配P-MOSFET负载开关做输出功率匹配。

图7   维安USB PD快充整体解决方案

    图8则是对应的实际电源系统方案的参考设计。为实现PD方案的高效率, 原边开关管使用了一款650V 150mΩ  GaN WGB65E150S,副边同步整流搭载一款120V 7.2mΩ的中低压MOSFET WMB072N120LG2;变压器采用了ATQ23.7,Bmax在最恶劣工况下有30%左右的设计裕量,降低了变压器磁饱和的风险,配合SSR IC的各项异常保护功能从设计上保证了极限应用的可靠性;同时将电源的开关频率运行在150kHz以内,将整个系统PCBA体积做到了38cc,对应的功率密度为1.88W/cc (30.7W/in³)。

图8   USB PD 65W参考设计demo

图9   65W完整方案的系统效率

图10   EMI传导

图11   辐射CDN

    为了验证这个65W USB-PD demo的关键性能,我们分别做了效率测试和EMI测试。从图9的效率测试结果看,系统的平均效率远远高于DOE六级能效要求,满载效率约为92%;10%负载的轻载效率也达到78%以上。图10的EMI传导裕量大于6dB,图11用CDN模拟的辐射测试结果也满足应用标准。

    上述65W的参考设计是维安GaN在USB-PD应用上的一个完整方案开发,利用GaN器件的高频高效优势,结合Layout和变压器方面的系统级优化设计,将完整方案的功率密度做到了同类平台更优的水准,方便客户在当前以小型化为主导的市场上去实现产品化;且系统效率和EMI性能均有很好的保障,扫除方案关键性能的障碍,以便客户在后期产品研发阶段快速评估和量产导入。

    值得一提的是,上述65W USB-PD方案中使用了维安的多种产品组合,如原边高压E-GaN,副边同步整流中低压MOSFET,副边电压反馈基准调节器431,协议负载开关应用的低压P-MOSFET,以及type-C口的TVS。具体型号见表1.

表1   维安USB PD快充解决方案对应的器件料号

    随着人们对PD快充电源便携性以及高效环保的重视,我们看到了GaN在快充市场应用已经成为大趋势。如今,包含GaN在内的广义上的宽禁带技术半导体能够很好的满足大批量应用的严格要求,为原始设备制造商带来更高的效率和功率密度,再搭配Si基半导体产品组合将为市场带来更多选择和便利性,降低系统成本和运营成本。

责编: 爱集微

爱集微

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