氮化鎵快充進(jìn)入200W時(shí)代！大功率充電方案揭秘！

電子發(fā)燒友報(bào)道（文/李誠）隨著硅基氮化鎵成本的下探，65W氮化鎵快充已成為眾多手機(jī)的入門級標(biāo)配。氮化鎵技術(shù)的普及，使得原本臃腫的充電器變得更輕便小巧，在輸出功率和產(chǎn)品的系統(tǒng)效率方面均有不小的提升。

65W對于一般的手機(jī)、平板、辦公筆記本而言可以輕松應(yīng)對，但對于追求極致畫面、高性能數(shù)據(jù)處理的游戲筆記本而言，百瓦以下的快充已經(jīng)無法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，傳統(tǒng)的電源適配器又略顯笨重。鑒于氮化鎵充電器的高效性和緊湊性，不少廠商陸續(xù)推出了適用于游戲筆記本的高功率氮化鎵充電器設(shè)計(jì)方案。

英諾賽科PFC+LLC 200W氮化鎵快充方案

此前，英諾賽科推出了一款200W的氮化鎵快充Demo，該設(shè)計(jì)采用的是PFC+LLC的系統(tǒng)架構(gòu)，是在基于英諾賽科氮化硅功率開關(guān)管的基礎(chǔ)上，搭配MPS的HR1211二合一數(shù)字主控芯片和MP6924同步整流芯片實(shí)現(xiàn)的。

HR1211電路拓?fù)?圖源：MPS

HR1211是一款多模的PFC和電流模式LLC數(shù)字組合型控制器，通過UART端口可根據(jù)實(shí)際功能需求，對控制器進(jìn)行靈活的配置，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與響應(yīng)速度。

HR1211在應(yīng)用中會根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)電流的變化，判斷出當(dāng)前的負(fù)載狀態(tài)，并做出CCM與DCM工作模式的切換。當(dāng)系統(tǒng)處于重載狀態(tài)時(shí)，PFC會自動(dòng)進(jìn)入CCM模式，隨著負(fù)載的提升，開關(guān)頻率也會隨之提高，反之負(fù)載降低時(shí)，系統(tǒng)開關(guān)頻率也會隨之下降。當(dāng)負(fù)載降低至一定值時(shí)PFC會自動(dòng)切換進(jìn)入DCM模式，LLC級也會自動(dòng)進(jìn)入調(diào)頻模式或突發(fā)模式，以此降低開關(guān)頻率和開關(guān)損耗，保持系統(tǒng)的高效性。

該設(shè)計(jì)在PFC電路部分，采用了英諾賽科自家的650V增強(qiáng)型氮化鎵功率晶體管INN650D260A和泰科天潤的碳化硅二極管G3S06505R，通過氮化鎵與碳化硅高頻、低導(dǎo)通電阻的特性，進(jìn)而提高充電器的功率密度和轉(zhuǎn)換效率。

同時(shí)，LLC級還具有自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間追蹤和調(diào)節(jié)的能力，進(jìn)而確保ZVS 操作在任何條件下死區(qū)時(shí)間最小，避免橋臂的直通產(chǎn)生不必要的額外損耗。這些特性對與提高充電器效率和功率密度起到了至關(guān)重要的作用。

圖源：MPS

上圖為HR1211在100W的電源應(yīng)用中輸出電壓為20V時(shí)，系統(tǒng)效率隨負(fù)載升高的變化曲線。在高壓線路應(yīng)用中，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)93%左右，平均效率為89%；在低壓線路應(yīng)用中，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率最高為92%，平均效率為88.6%。值得一提的是，HR1211在空載模式下功率損耗 <100mW。

目前，HR1211多與MP692XX系列芯片主要是在100W以上的大功率充電器中搭配使用，并且已有多款產(chǎn)品量產(chǎn)并進(jìn)入市場。在英諾賽科的200W氮化鎵充電器設(shè)計(jì)方案中，采用了MP6924作為同步整流IC。

次級端同步整流電路 圖源：MPS

由于本設(shè)計(jì)的輸出電壓較低，為此英諾賽科在本方案中采用了MP6924負(fù)責(zé)對同步整流電路進(jìn)行控制，并與兩顆安森美低導(dǎo)通電阻的N溝道MOSFET NTMFS5C628NL構(gòu)成同步整流電路。

之所以使用MOSFET而不是使用二極管，是因?yàn)閱蝹€(gè)二極管在導(dǎo)通時(shí)會降低系統(tǒng)電路中0.7V~1V的電壓，并降低效率。舉個(gè)例子，假設(shè)在輸出電壓為20V的電路中，降低1V的電壓就相當(dāng)于降低了5%的系統(tǒng)效率，而使用MOSFET由于導(dǎo)通電阻低的原因，并不會對最終效率產(chǎn)生過大的影響。

據(jù)英諾賽科表示，該方案在90Vac低壓輸入模式下，系統(tǒng)滿載效率最高可達(dá)94%。在230Va輸入模式下，系統(tǒng)滿載效率最高可達(dá)96.4%。

GaN Systems 250W AC/DC 氮化鎵充電器設(shè)計(jì)

1月5日，GaN Systems推出了體積小50%，重量減輕40%的250W氮化鎵充電器設(shè)計(jì)方案，該方案采用了兩級式的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)Boost PFC+半橋LLC。

圖源：GaN Systems

上圖為GaN Systems 250W充電器設(shè)計(jì)的Demo和電路拓?fù)鋱D，分別在PFC和LLC部分使用了自家的650V GS-065- 0112-L氮化鎵晶體管，但具體的控制器型號尚未公布。

PFC部分主要負(fù)責(zé)將電網(wǎng)輸出的交流電壓提升至400V的總線直流電壓。據(jù)悉，GaN Systems在該部分采用數(shù)字型PFC控制器，支持CCM和DCM工作模式切換，降低了不必要的電能損耗。

通過Demo與電路拓?fù)鋱D可以看出，GaN Systems在PFC部分使用了兩個(gè)并聯(lián)的650V GS-065- 0112-L氮化鎵晶體管，以及一顆碳化硅的開關(guān)二極管。通過二者高頻，且反向恢復(fù)電流近乎為零的電氣特性，進(jìn)一步保證了系統(tǒng)的高效性。

LLC部分主要負(fù)責(zé)將400V的直流電壓降低至19V輸出。據(jù)悉，該設(shè)計(jì)中采用的LLC轉(zhuǎn)換器在諧振模式下可提供更高的效率，同時(shí)還能為MOSFET提供正弦電壓或正弦電流，并在接近于正弦電壓或電流的過零點(diǎn)處開關(guān)，以此大幅降低MOSFET的功耗。

該LLC控制器采用的是電流控制模式，通過將轉(zhuǎn)換器的占空比設(shè)置為0.5，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓的輸出。同樣在LLC電路中也采用了兩顆650V GS-065- 0112-L氮化鎵晶體管，以此獲得更高的開關(guān)頻率，并增加功率密度。

250W氮化鎵充電器關(guān)鍵參數(shù) 圖源：GaN Systems

上圖為該方案重要參數(shù)，支持90V~264V的交流寬壓輸入，輸出功率最高可達(dá)250W 19V/13.2A。在滿載的情況下，系統(tǒng)效率能夠保持在95%以上。在待機(jī)狀態(tài)下，系統(tǒng)功耗低于150mW。

圖源：GaN Systems

通過緊湊的布局和氮化鎵、碳化硅開關(guān)管的加持，以及超薄的設(shè)計(jì)，最終成品（帶殼）大小為171mm*68mm*22mm，與兩臺疊放在一起的iPhone 13 Pro Max規(guī)格大小相近，和同等輸出功率的充電器相比尺寸減少了50%，功率密度也達(dá)到了16W/in3。

（a）115Vac （b）230Vac 圖源：GaN Systems

上圖為250W充電器在25℃環(huán)境溫度下連續(xù)運(yùn)行一小時(shí)的熱成像圖，當(dāng)充電器輸入115V交流電壓時(shí)，正反面的平均溫度為75.8℃。當(dāng)輸入230V交流電壓時(shí)，正反面的平均溫度為70.3℃，扣除室溫整體溫升在45℃至50℃之間。

目前市面上的65W氮化鎵快充，在滿載的工作狀態(tài)下，單口的充電器溫度一般會在70攝氏度左右，多口的充電器通常會超過70攝氏度，甚至達(dá)到80℃~90℃。因此該充電器的工作溫度并不算高，且遠(yuǎn)低于國家對充電器表面最高溫度95℃的標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語

如今筆記本電腦已成為生產(chǎn)力工具的代表，高效輕薄的大功率充電器已成為我們的剛需，隨著氮化鎵成本低的下探以及充電技術(shù)的發(fā)展，相信在不久的將來會有更多的方案推出，并進(jìn)入市場，以此滿足用戶的需求。