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快充如何用GaN技术突破100W输出功率?

时间:2019-09-04 作者:刘于苇 阅读:
在时间就是生命的年代,充电速度比不上用电速度,就是谋财害命。如果你曾经用过iPhone,一定被它“五福一安”(额定输出功率5V1A)的充电器深深伤害过,第三方厂商都开始推60W快充了,iPhone才刚刚传出要配18W充电器的传闻。为什么第三方厂商可以在把尺寸做小的同时,又能兼顾充电效率?因为他们更愿意尝试氮化镓(GaN)这样的新兴功率器件……
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如果你曾经用过iPhone,一定被它“五福一安”(额定输出功率5V1A)的充电器深深伤害过。在如今这个时间就是生命的年代,充电速度比不上用电速度,就是谋财害命。不过在新iPhone发布临近之日,有富士康员工爆料称这次苹果将标配18w的USB-C PD电源适配器+线,型号也将有之前的A1443变成A1720。wV6EETC-电子工程专辑

这个消息如果属实,将是苹果的一大步,因为iPhone 8之后的机型其实都支持18w充电,但苹果却只标配“五福一安”,然后官网上的18w充电器卖249元……wV6EETC-电子工程专辑

但对于快充界来说,这只是一小步,因为早有第三方厂商在“五福一安”同等体积下,做出了18w USB PD充电器,功率密度达到了苹果5W充电器的3倍以上,并且兼容Apple 2.4A、QC、PD等快充协议。wV6EETC-电子工程专辑

尺寸做小,效率提升的原因

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Power Integrations资深技术经理Jason Yan(图自:Luffy Liu摄 电子工程专辑)wV6EETC-电子工程专辑

为什么第三方厂商可以在把尺寸做小的同时,又能兼顾充电效率?“因为他们更愿意尝试新兴技术,比如相比传统硅更有优势的氮化镓(GaN)技术。”Power Integrations资深技术经理Jason Yan,在日前于深圳举办的一场媒体见面会上对《电子工程专辑》表示,“功率器件中采用GaN晶体管,相比传统硅晶体管,可以使电源效率更高、温度更低、尺寸更小,实现大功率电源无散热片设计。”wV6EETC-电子工程专辑

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第三方厂商在“五福一安”体积下做出的18w充电器参考设计,无需散热片(图自:Luffy Liu摄 电子工程专辑)wV6EETC-电子工程专辑

这些特点,让GaN技术在对尺寸和效率有较高要求的应用中成为首选。除了第三方USB PD适配器、高端手机充电器和笔记本适配器等移动设备,还可以用在各类家电、PC、游戏机和服务器等产品的待机电源中。这一切都得益于GaN开关替换了IC初级的常规高压硅晶体管,降低了电流流动期间的传导损耗,并极大降低工作时的开关损耗,最终有助于大幅降低电源的能耗,从而提高效率。wV6EETC-电子工程专辑
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(图自:Power Integrations)wV6EETC-电子工程专辑

Jason Yan表示,普通MOSFET的输出电容在其开通时,通过其本身进行放电。但是寄生电容的大小与MOSFET的大小成比例,更大MOSFET等于更多的开关损耗,“而PowiGaN™开关单位面积的RDS(ON) (导通电阻)更小,意味着更低的导通损耗。”wV6EETC-电子工程专辑
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GaN开关损耗变化曲线(图自:Power Integrations)wV6EETC-电子工程专辑

一般来说,开关损耗会随着管子大小的增大而增加,导通损耗会随着管子大小(体积V)的增大而减小,两者曲线的交叉点就是传统MOSFET的功率损耗。但GaN的开关损耗既不取决于电容(C)大小,也不取决于体积,所以其功率损耗的交叉点要比传统MOSFET低很多。wV6EETC-电子工程专辑

100 W功率输出的小目标达成

在今年7月,Power Integrations发布了InnoSwitch™3系列恒压/恒流离线反激式开关电源IC的新成员INN3X79C、INN3X70C。新IC可在整个负载范围内提供95%的高效率,并且在密闭适配器内不使用散热片的情况下可提供100 W的功率输出。相比传统硅器件90%的性能提升就来自上文提到的——PI自研高压GaN开关技术。wV6EETC-电子工程专辑
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与硅器件相比(蓝色),GaN产品(红色)将输出功率在PFC-400VDC下做到了近120W最高值(图自:Power Integrations)wV6EETC-电子工程专辑

据介绍,为了让工程师可以看到显著的性能提升,却感觉不到其他方面的变化,PI在这代产品上与之前保持了一致性、连贯性及易于使用特性,在准谐振模式的InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP和InnoSwitch3-Pro IC一个表面贴装封装内集成了初级电路、次级电路和反馈电路。无需外围元件即可提供恒压/恒流/恒功率,与接快充协议接口IC协同工作,因此适用于高效率反激式设计。wV6EETC-电子工程专辑
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在将适配器额定值做到80甚至90W的同时,耐压值提高到750V也更适合家电防雷(图自:Power Integrations)wV6EETC-电子工程专辑
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PowiGaN方案做出的业界首款90W USB-C双头充电器,可以同时给两台MacBook充电(图自:Luffy Liu摄 电子工程专辑)wV6EETC-电子工程专辑
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参考电路(图自:Power Integrations)wV6EETC-电子工程专辑

使用GaN技术安全隔离型LED驱动器

而在媒体会上,Power Integrations还宣布推出LYTSwitch™-6系列安全隔离型LED驱动器IC的最新成员LYT6079C、LYT6070C。使用PowiGaN™技术的大功率密度器件,可通过反激拓扑实现110 W输出功率和94%转换效率的设计,并且相对于硅基产品增大了输出功率范围和击穿电压范围。wV6EETC-电子工程专辑
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与InnoSwitch3系列一样,采用GaN技术同样能够增加效率和功率(图自:Power Integrations)wV6EETC-电子工程专辑

新的LYTSwitch-6 IC无需使用散热片,减小了镇流器的尺寸和重量,并降低对驱动器周边风冷环境的要求,和采用PowiGaN初级开关的InnoSwitch3器件一样,可通过低RDS(ON)降低开关损耗。“相较于常规方案,这一改进结合LYTSwitch-6现有的诸多特性,可使功率转换效率提高3%,进而减少三分之一以上的热能浪费,还可提供无损耗电流检测来提高效率。”Jason介绍到,“保留快速动态响应可为并联LED灯串提供交叉调整率,并且无需额外的二次稳压电路,同时还支持无闪烁系统工作。更加易于实现使用脉宽调制(PWM)接口的调光应用。”wV6EETC-电子工程专辑
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参考设计。和传统LED驱动器方案(上)相比,采用GaN技术后大(下)幅简化了电路。(图自:Power Integrations)
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供货及技术支持

“新的PowiGaN系列产品与传统硅晶体管的工作方式相比,无明显区别。”Jason说到,“无论采用硅晶体管还是PowiGaN开关的InnoSwitch3 IC、LYTSwitch-6 IC,均使用相同的开关电源设计流程、相同的开关频率,根据输出功率的不同可以选取相应的外部电路元件。就连开关波形都极为相似,在EMI、ESD方面无异常的电路特性表现,也无需增加特别的设计考量。”wV6EETC-电子工程专辑

基于GaN的InnoSwitch 3 IC和LYTSwitch-6 LED驱动器已开始供货,价格分别为基于10,000片订货量每片单价4美元和3.14美元。Jason表示,目前他们是唯一一家能够实现大批量、稳定供货的适配器用GaN厂商,目前已被多家客户用于众多设计。wV6EETC-电子工程专辑
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(图自:Luffy Liu摄 电子工程专辑)wV6EETC-电子工程专辑

Power Integrations网站还提供了多款输出功率介于60 W到100 W的USB-PD充电器参考设计,以及一份100 W 3段调光LED镇流器参考设计。此外还提供自动化设计工具PI Expert™以及其他技术支持文档。wV6EETC-电子工程专辑
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采用PowiGaN开关INN32X9C的65W快充适配器参考设计(图自:Power Integrations)wV6EETC-电子工程专辑

One More Thing……

除了“主菜”,Power Integrations这次还带了一道“小菜”——X电容放电芯片CAPZero™-3。Jason表示,双端子CAPZero-3 满足大家电的IEC60335和IEC62368安全标准,并且涵盖100 nF到6 µF的所有电容值。因为消除了待机期间X电容放电电阻上的功耗,这款芯片能用于降低空载及待机功耗,最多可以做到1W的功耗节省,而起自供电操作可令本身功耗低于4mW。wV6EETC-电子工程专辑
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图自:Power Integrations)wV6EETC-电子工程专辑

IEC60335是涵盖所有家电的放电安全标准。为防止对用户造成电气危害,比如拔掉充电器后,还会被X电容放出的电电到,该标准要求在AC断电后一秒之内应将输入X电容的电压放电至34 V以下。CAPZero-3可在AC电压接通后阻断流经X电容放电电阻的电流,并在AC断电后通过这些电阻自动对X电容放电。wV6EETC-电子工程专辑
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(图自:Power Integrations)wV6EETC-电子工程专辑

“CAPZero-3可简化EMI滤波电路的设计,同时允许使用更大容量的X电容,从而可使用小号电感元件,而不会改变功耗。” Jason介绍到,“它既可以放置在系统输入保险丝之前,也可以放置在它之后。并且内部集成了1000 V MOSFET,具有较高的共模抗浪涌能力,无需外部接地连接,封装和PCB的爬电距离保持在4 mm以下。”wV6EETC-电子工程专辑
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红框中就是CAPZero-3和两颗放电电阻(图自:Luffy Liu摄 电子工程专辑)wV6EETC-电子工程专辑

CAPZero-3器件经正在进行CB和Nemko的安全认证,预计今年11月份完成,因此开发人员无需对电源的X电容放电电路进行单独的安全测试。 Jason表示该器件非常易于选择,因为只有一个型号,并且和旧的CAPZero/CAPZero-2 PIN to PIN兼容。现已开始供货,以1,000片为单位订货,单价为0.31美元。wV6EETC-电子工程专辑

责编:Luffy LiuwV6EETC-电子工程专辑

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刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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