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    200W大功率,雙口快充不降速,英諾賽科氮化鎵demo測試

    2021-09-06

    多口PD快充具有多個輸出口,可以同時為手機和筆記本充電,很受市場歡迎。但是現在的100W快充,單一接口可以輸出100W,連接其他接口后,輸出功率會降低為65W或者45W,這就很影響快充體驗了。

     

    針對100W快充降速的問題,英諾賽科推出了高功率密度的200W氮化鎵3C2A多口快充參考設計,支持功率盲插,雙C口輸出時,都可以以100W滿功率輸出,不會影響快充體驗,三個C口同時輸出時,為100W+45W+45W,保證有一個C口可以滿功率輸出,保證使用體驗的同時還可以為連接的設備盡可能的高速充電。

     

    英諾賽科200W參考設計,在單口及雙口輸出時任意C口均可100W快充,充分滿足大功率快充需求,A口支持30W快充。多口輸出策略輸出參數可以根據需求定制。

     

    方案介紹

     

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    英諾賽科200W氮化鎵快充參考設計采用PFC+LLC的拓撲,電源采用固定電壓輸出,搭配四路小板獨立降壓,用于五個接口的快充輸出。

     

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    英諾賽科200W氮化鎵快充參考設計使用MPS二合一控制器HR1211配合英諾賽科氮化鎵INN650D260A組成帶PFC的LLC的恒壓輸出開關電源,次級采用MPS MP6924搭配安森美NTMFS5C628NL同步整流。C口與A口輸出二次降壓采用智融SW3516H和SW3515進行電壓轉換。

     

    體積大小

     

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    使用游標卡尺測量PCB長度約為76mm。

     

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    使用游標卡尺測量PCB寬度約為74.9mm。

     

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    使用游標卡尺測量PCB厚度約為21.8mm,板端功率密度高達1.61W/cm3。

     

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    與蘋果96W充電器對比,英諾賽科200W參考設計體積幾乎相同。

     

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    側面看厚度還略薄一些。

     

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    英諾賽科200W氮化鎵參考設計厚度小于一元硬幣直徑。

     

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    與iPhone 12 Pro Max寬度相當。

     

    用料解析


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    電源輸入垂直焊接了一塊小板,上面是共模電感等輸入EMI濾波器件。立體結構充分利用空間。

     

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    電源輸入端采用三顆整流橋分攤發熱,降低溫升,整流橋來自揚杰,型號為YBSM6010,耐壓1000V,額定電流6A。

     

    這款電源方案的主控芯片,MPS HR1211是一顆內部集成PFC和LLC控制器的數字模式二合一控制器,可使用圖形界面進行編程,并支持密碼保護配置文件。

     

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    MPS HR1211是一顆高集成多模式的PFC和LLC二合一控制器,使用一顆芯片即可完成傳統2-3顆芯片才能完成的功能,簡化電路設計并減少元件數量。HR1211內置的PFC控制器和LLC控制器,通過數字內核控制,根據負載情況實現聯動控制,在連續、跳周期和Burst模式下運行,并可通過UART接口配置,以獲得更高的效率。

     

    英諾賽科200W氮化鎵快充參考設計采用氮化鎵加碳化硅二極管的組合,PFC級采用自家INN650D260A搭配泰科天潤G3S06505R碳化硅二極管。碳化硅二極管反向恢復電流幾乎為0,可以提高開關頻率,并優化EMI特性??s小磁性元件體積,并提高效率。

     

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    HR1211的供電電容布局在PCB邊緣,來自豐賓,100μF25V,放置在邊緣可以有效防止電源高溫工作影響電容壽命。

     

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    PFC開關管采用英諾賽科 INN650D260A,兩顆并聯。這是一顆導阻為260mΩ的氮化鎵開關管,支持650V耐壓,峰值耐壓750V。得益于工藝改進,相比英諾賽科之前的氮化鎵器件,單位面積Ron更小,具備更小的導通損耗,性能有明顯的提升。INN650D260A適用于65-120W的反激拓撲,120-200W的LLC拓撲。

     

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    英諾賽科INN650D260A采用DFN8*8封裝,支持超高開關頻率,適用于AC-DC和DC-DC開關電源,圖騰柱PFC,電池快充等高功率密度高能效功率轉換。

     

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    PFC升壓整流使用泰科天潤 G3S06505R碳化硅二極管。泰科天潤 G3S06505R是一顆耐壓650V,額定電流5A的碳化硅二極管,用于PFC升壓整流。其支持175℃工作溫度,適用于開關電源,功率因數校正,電機驅動,逆變器及電動汽車充電器等場合應用。

     

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    初級濾波電容共四顆并聯焊接在垂直小板上。使用PFC電路能有效減小初級濾波電容容量,減小充電器體積。

     

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    LLC諧振兩顆開關管采用英諾賽科INN650D260A。

     

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    另外一顆開關管。

     

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    LLC架構特有的諧振電容,來自捷威,0.022μF 630V耐壓,MPP92,殼式封裝。

     

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    輸出同步整流采用MPS MP6924 雙路LLC同步整流控制器,可驅動兩個同步整流管,支持快速關斷,支持DCM、CCM和CrCM工作模式,外圍元件精簡。MP6924支持35V輸出電壓,可搭配邏輯電壓和標準電壓的同步整流管,支持CCM、CrCM和DCM運行模式,支持高側和低側同步整流,采用SOIC-8封裝。

     

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    兩顆同步整流管采用安森美NTMFS5C628NL,NMOS,耐壓60V,導阻2.4mΩ。

     

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    Y電容為特銳祥貼片Y電容,具有體積小、容量大、耐熱性好、適合批量生產的優點。

     

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    輸出濾波電容為兩顆綠寶石BC系列固態電容,1000μF 25V,兩顆并聯。

     

    英諾賽科200W氮化鎵參考設計采用固定電壓輸出,獨立降壓的架構,三顆智融SW3516H進行獨立的三路USB-C輸出,一顆智融的SW3515用于兩個USB-A口輸出,單口獨立快充,雙口5V。智能功率控制采用芯海CSU38F16單片機控制。并且可按照實際情況進行配置。

     

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    輸出三個USB-C口均具備100W功率輸出,支持功率盲插。小板正面焊接VBUS開關管,磁環降壓電感和一顆永銘的NPX固態電容。

     

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    智融的SW3516H是一款支持1A1C雙接口的同步降壓控制器,內置5A降壓轉換器,支持雙口輸出時獨立限流,單口支持最大100W輸出,協議支持廣泛,在65到100W的PD快充中都可以使用。

     

    SW3516H支持40V輸入電壓,內置的同步降壓轉換器,搭配兩個NMOS開關管,即可實現5A大電流輸出。內置的降壓轉換器工作頻率為125KHz,輕載下PFM運行,中等負載及重載下PWM運行。

     

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    小板上焊接兩顆AON6354,用于同步整流降壓,NMOS,耐壓30V,導阻3.3mΩ,DFN5*6大封裝可支持100W大功率輸出。

     

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    輸出濾波電容來自永銘,NPX系列固態電容,220μF25V耐壓,該系列電容具有小體積、低ESR、高容許紋波電流、高可靠性、耐開關沖擊等特點。

     

    方案測試

     

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    根據英諾賽科提供的資料顯示,這款200W的參考設計,在90Vac輸入時,25%負載的效率達到92.6%,滿載效率達到94%。230Vac輸入時,25%負載效率達到93.7%,滿載效率達到96.4%,可有效降低滿載溫升問題。

     

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    圖表為不同電壓下的效率測試結果。


    HR1211的PFC控制既能工作于斷續模式,又能工作于連續模式。在AC90V時,使PFC電感進入連續模式能降低PFC電感溫升8度左右,同時PFC整流管采用兩顆GAN并聯,相對使用單顆GAN,PFC開關管的損耗被兩顆器件分攤開,從而能降低PFC開關管溫升大概10度左右。

     

    下面是英諾賽科的200W電源溫升測試,90Vac輸入,測試滿載輸出溫升。測試環境溫度為28.8℃,熱機2小時。


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    其中LLC變壓器溫度為92℃,LLC諧振電感溫度為95℃,輸出濾波電解電容溫度為76℃,PFC電感溫度為91℃。


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    來到電路板背面,PFC氮化鎵開關管溫度為114℃,LLC兩顆氮化鎵開關管溫度分別為99.8℃和95.6℃,同步整流管溫度為95.5℃,整流橋溫度為113℃,PFC二極管溫度為105℃。測試中,整流橋和PFC二極管需要額外增加散熱片輔助散熱。


    充電頭網總結

     

    通過將多口PD快充的功率提高到200W,直接解決了百瓦多口的功率分配問題。以小幅度的體積增加,換取翻倍的功率輸出。即使不能用滿充電器的輸出功率,低功率輸出也可以降低充電器的溫升,提升使用體驗。

     

    英諾賽科200W氮化鎵快充參考設計,通過使用氮化鎵開關管配合PFC+LLC的高效架構,滿足了小體積而又高效的電源設計。解決了傳統百瓦多口充電器在接入兩個設備,不能保持百瓦輸出的問題。并且兩個百瓦接口同時輸出,與兩個獨立的百瓦充電器相比,體積優勢非常明顯。

     

    使用高效率的LLC諧振架構搭配INN650D260A氮化鎵器件以固定電壓輸出,可以獲得高轉換效率,降低充電器的散熱需求。并且在輸出端使用靈活的二次降壓電路,可在充電器中實現多種接口以及不同電壓的輸出支持,滿足廠商個性化需求。


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