效率超95% 英诺赛科推出支持PD3.1的140W高效氮化镓方案

PD 3.1协议快充标准增加了28V、36V、48V三组固定电压档位，最大功率提升至240W。随着苹果支持PD3.1协议的140W笔记本快充充电器的率先发布，市场上对140W快充的呼声随之高涨，并且对效率、功率密度等也有了更高要求。

 

作为一家致力于第三代半导体硅基氮化镓研发与制造的高新技术企业，英诺赛科时刻保持着对市场的敏锐嗅觉。大功率快充的需求与氮化镓高频高效的特性一拍即合，凭借其优势，英诺赛科推出了一系列极具竞争力的快充参考设计方案。

 

此次英诺赛科针对市场需求率先推出支持PD3.1协议140W氮化镓应用方案，功率密度为31.9W/in^3，效率高达95.54%，支持最大28V 5A,向下兼容20V、15V、12V、9V、5V等输出电压。

 

图1 140W拓扑结构图

 

据悉，该方案采用性能表现更优的PFC+AHB架构，在AHB拓扑中当原边向副边传递能量时，原边谐振电容Cr和变压器T存储的能量同时向输出负载传递，故变压器的利用率更高，尺寸更小。同时AHB支持在宽负载范围内的软开关模式下工作，系统的整体效率表现更优越。

 

PFC

 

 

该方案采用有桥PFC架构，PFC使用一颗英诺赛科型号为INN650D150A，耐压650V，DFN8*8封装，最大导通电阻150mohm的器件。

 

 

INN650D150A支持超高开关频率，无反向恢复电荷，具有极低的栅极电荷和输出电荷，符合JEDEC标准的工业应用要求，内置ESD保护，符合RoHS、无铅、欧盟REACH法规。

 

如表1所示，同等Rds(on)情况下，Si MOS的Ciss和Crss参数分别是氮化镓的15倍和11倍。

 

 

图2

 

如图2所示，Si MOS的Eoss在Vds 0—500V范围内都比氮化镓大。更小的Ciss和Crss使得氮化镓的开关速度更快，米勒平台非常小，开关过程中电流与电压交叠时间减小80%以上，更小的Coss在开启过程中损耗更小，氮化镓器件总开关损耗相较Si MOS减少70%左右。

 

AHB

 

 

AHB拓扑采用两个英诺赛科型号INN650DA150A，耐压650V，封装5*6，最大导通电阻150mohm的器件。

 

 

INN650DA150A具有极低的热阻，搭配DFN5*6封装，可应用于高功率密度场合，提供高功率输出。支持超高开关频率，无反向恢复电荷，具有极低的栅极电荷和输出电荷，符合JEDEC标准的工业应用要求，内置ESD保护，符合RoHS、无铅、欧盟REACH法规。

 

 

在软开关的半桥拓扑中，死区时间与开关器件的Co(tr)相关，Co(tr)越小器件实现软开所需的死区时间越短，变压器的励磁电流也更小，可以有效减小变压器损耗。

 

 

表2

 

如表2所示，Si MOS的Co(tr)是氮化镓的10倍左右，氮化镓在软开关应用中优势明显。

 

Package

 

 

图3

 

据悉， InnoGaN是平面结构，thermal PAD接Source端，Drain端的面积相较于Si MOS减小3/4，在系统端Drain的耦合电容减小3/4，共模噪音更小，器件EMI特性更优。因Source端dv/dt很小，近似静点，InnoGaN可以通过thermal PAD连接大面积散热铜箔，有利于器件散热且不影响EMI。

 

 

图4

 

如图4所示的共模干扰路径示意图，QFN封装开关管的Drain端会产生dv/dt，通过与地或者其它层相邻铜箔耦合电容Cpe产生共模干扰，Drain端面积越小，Cpe越小，产生的共模噪音越小。

 

 

图5

 

140W采用NCP1623+JW1556+MP6908A的控制方案，协议采用IP2736，PCBA尺寸为60*60*20mm，功率密度达到31.9W/in^3，相较苹果140W（17W/in^3）功率密度提高近1倍。

 

 

图6

 

该方案的PCBA由一块功率板加一块协议小板组成，布局非常简洁、紧凑且易加工。INN650D150A和INN650DA150A两款氮化镓器件位置如图6所示。

 

 

图7

 

得益于新拓扑以及高性能的氮化镓应用，在90Vac~264Vac全电压范围，输出满载工况下，整体效率表现良好，最高效率达到95.54%。整机待机功耗只有100mW@230Vac，满足能效标准。

 

 

图8

 

据英诺赛科对整机的温升测试，在环温25℃，输入90Vac，输出28V/5A工况下老化， Bottom层最高温度为整流桥处，温度达到95.7℃，PFC GaN温度86.5℃，PFC二极管温度90.5℃，AHB上管GaN温度78.1℃，下管GaN温度75.7℃。

 

 

图9

 

两颗同步整流管的温度分别为76.5℃和75.8℃。在氮化镓的加持下，整机效率高、器件温升低，系统温升更易处理。

 

 

整机传导测试，裕量达到5.7dB以上。

 

充电头网拆解总结

 

英诺赛科140W氮化镓快充方案采用方形外观设计，尺寸为60*60*20mm，功率密度高达1.94W/cm³，是目前市面上最小的140W快充方案之一。而这还不是极限，从DEMO的元器件布局可以了解到方案的体积可以进一步缩小，充分满足消费者对于小体积大功率快充电源的要求。

 

除了体积可以做得很小外，通过测试数据还可以发现，这套方案在EMI、发热、效率等各方面的表现也都相当不错。PFC输出电压采用分段式，低压输入时有效降低PFC的损耗，提高PFC的低压效率，AHB半桥降低电源高频运行时的开关损耗，并在同步整流电路中使用氮化镓开关管降低开关损耗，将氮化镓器件的性能优势充分发挥，实现了高效率高功率密度的快充电源设计。

 

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