氮化鎵快充進入200W時代！大功率充電方案揭秘！
電子發(fā)燒友報道（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的入門級標配。氮化鎵技術的普及，使得原本臃腫的充電器變得更輕便小巧，在輸出功率和產品的系統(tǒng)效率方面均有不小的提升。
65W對于一般的手機、平板、辦公筆記本而言可以輕松應對，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)無法滿足實際應用的需求，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計方案。
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，該設計采用的是PFC+LLC的系統(tǒng)架構，是在基于英諾賽科氮化硅功率開關管的基礎上，搭配MPS的HR1211二合一數(shù)字主控芯片和MP6924同步整流芯片實現(xiàn)的。
HR1211電路拓撲 圖源：MPS
HR1211在應用中會根據(jù)實際系統(tǒng)電流的變化，判斷出當前的負載狀態(tài)，并做出CCM與DCM工作模式的切換。當系統(tǒng)處于重載狀態(tài)時，PFC會自動進入CCM模式，隨著負載的提升，開關頻率也會隨之提高，反之負載降低時，系統(tǒng)開關頻率也會隨之下降。當負載降低至一定值時PFC會自動切換進入DCM模式，LLC級也會自動進入調頻模式或突發(fā)模式，以此降低開關頻率和開關損耗，保持系統(tǒng)的高效性。
該設計在PFC電路部分，采用了英諾賽科自家的650V增強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、低導通電阻的特性，進而提高充電器的功率密度和轉換效率。
同時，LLC級還具有自適應死區(qū)時間追蹤和調節(jié)的能力，進而確保ZVS 操作在任何條件下死區(qū)時間最小，避免橋臂的直通產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重要的作用。
圖源：MPS
上圖為HR1211在100W的電源應用中輸出電壓為20V時，系統(tǒng)效率隨負載升高的變化曲線。在高壓線路應用中，系統(tǒng)轉換效率最高可達93%左右，平均效率為89%；在低壓線路應用中，系統(tǒng)轉換效率最高為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，并且已有多款產品量產并進入市場。在英諾賽科的200W氮化鎵充電器設計方案中，采用了MP6924作為同步整流IC。
次級端同步整流電路 圖源：MPS
之所以使用MOSFET而不是使用二極管，是因為單個二極管在導通時會降低系統(tǒng)電路中0.7V~1V的電壓，并降低效率。舉個例子，假設在輸出電壓為20V的電路中，降低1V的電壓就相當于降低了5%的系統(tǒng)效率，而使用MOSFET由于導通電阻低的原因，并不會對最終效率產生過大的影響。
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94%。在230Va輸入模式下，系統(tǒng)滿載效率最高可達96.4%。
GaN Systems 250W AC/DC 氮化鎵充電器設計
1月5日，GaN Systems推出了體積小50%，重量減輕40%的250W氮化鎵充電器設計方案，該方案采用了兩級式的功率調節(jié)系統(tǒng)Boost PFC+半橋LLC。
圖源：GaN Systems
上圖為GaN Systems 250W充電器設計的Demo和電路拓撲圖，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部分主要負責將電網(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與電路拓撲圖可以看出，GaN Systems在PFC部分使用了兩個并聯(lián)的650V GS-065- 0112-L氮化鎵晶體管，以及一顆碳化硅的開關二極管。通過二者高頻，且反向恢復電流近乎為零的電氣特性，進一步保證了系統(tǒng)的高效性。
LLC部分主要負責將400V的直流電壓降低至19V輸出。據(jù)悉，該設計中采用的LLC轉換器在諧振模式下可提供更高的效率，同時還能為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處開關，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，通過將轉換器的占空比設置為0.5，實現(xiàn)調節(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頻率，并增加功率密度。
250W氮化鎵充電器關鍵參數(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、碳化硅開關管的加持，以及超薄的設計，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)運行一小時的熱成像圖，當充電器輸入115V交流電壓時，正反面的平均溫度為75.8℃。當輸入230V交流電壓時，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，甚至達到80℃~90℃。因此該充電器的工作溫度并不算高，且遠低于國家對充電器表面最高溫度95℃的標準。
結語
如今筆記本電腦已成為生產力工具的代表，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的發(fā)展，相信在不久的將來會有更多的方案推出，并進入市場，以此滿足用戶的需求。
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