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    泰高技術推出210W氮化鎵電源方案,內置TP44200合封氮化鎵器件

    2022-03-12

    說起氮化鎵功率器件,主流的解決方式就是單管和合封,氮化鎵單管搭配專門優化的控制器,在反激架構的快充中得到了廣泛的應用。但在大功率的電源中,通常使用較高頻率來縮小變壓器的體積,相應的,合封氮化鎵功率芯片由于內置驅動器,在高頻下應用簡單的優勢,也常被大部分的高頻開關電源中使用。

     

    泰高技術是世界上第一家同時具備氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC) 及砷化鎵(GaAs) 芯片工藝技術創新解決方案的公司,泰高技術的研發團隊源于國際整流器公司(IR),早在 2010 年就承繼 IR 處于國際領先的氮化鎵成果持續研制并銷售先進氮化鎵芯片。

     

    泰高技術擁有十余年氮化鎵芯片研發經驗,所研發的氮化鎵芯片已經被超過60家歐美國際大公司廣泛采用。泰高技術的全球設計中心位于美國芝加哥(Chicago),以及印度加爾各答(Kolkata)擁有研發設計分部,全球研發人員超過 50 位,其中超過80%的研發都具有擁有博士學位。

     

    泰高技術針對百瓦級電源市場推出了210W氮化鎵電源模組方案,其基于PFC+LLC電路拓撲進行設計,采用了泰高四顆TP44200NM氮化鎵器件,整個DEMO三維僅70*46*31.5mm,功率密度高達2.07W/cm3,實現了高效率、高功率密度、低溫度的良好應用。

     

    下面就隨充電頭網一起來看看泰高技術這套電源解決方案具體如何設計,以及測試結果表現如何。

     

    一、泰高技術210W氮化鎵電源方案外觀

     

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    泰高技術210W氮化鎵快充方案采用PFC+LLC架構,固定電壓輸出,適用于筆記本電腦供電、工業電源、差旅排插等用途,還可搭配二次降壓用于多口PD3.1 / PD3.0 快充充電器。

     

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    電源模塊采用四塊PCB板組合的焊接方式,對角兩塊小板連接支撐上下兩塊大板。

     

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    使用游標卡尺測得模塊長度為70.05mm。

     

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    寬度為45.94mm。

     

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    厚度為31.51mm。通過三維算得模塊體積約為101.4cm3,功率密度為2.07W/cm3。

     

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    模塊拿在手上的大小直觀感受。

     

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    另外測得重量約為156g。

     

    二、泰高技術210W氮化鎵電源方案解析

     

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    輸入端小板一覽,右側焊接EMI濾波電路的器件,左側設有同步整流電路以及固態濾波電容。

     

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    延時保險絲5A 250V。

     

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    10D561K壓敏電阻。

     

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    共模電感雙線繞制,濾除EMI干擾。

     

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    安規X電容容量0.68μF。

     

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    另一顆共模電感特寫。

     

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    模塊一端可以看到紅色薄膜濾波電容、PFC升壓電感,PFC升壓電感上貼有兩塊導熱墊,導熱墊右側是整流橋。

     

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    整流橋采用沃爾德WRLSB80M,使用兩顆均攤溫升。這顆軟橋通過較軟的恢復曲線,比較平滑的關斷特性,可以降低二極管結電容達到非常少的諧波振蕩產生的效果。選用的LSB封裝,擁有良好的散熱特性,幫助中大瓦數適配器提升可靠性,單顆可做60W+。

     

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    另一塊板子左右兩側分別設有PFC升壓電路和LLC開關電源初級側相關控制器和合封氮化鎵芯片。

     

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    PFC升壓控制器采用TI德州儀器UCC28056,具有超低空載損耗,在負載范圍內提供出色的效率,符合IEC61000-3-2電流諧波標準的要求。

     

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    PFC升壓開關管采用兩顆泰高技術TP4420DNM去均攤溫升。泰高技術的氮化鎵功率芯片TP44200NM,作為一款額定電壓650V的大功率Superior GaN功率芯片,能滿足中功率移動設備和消費類電力電子市場的需求,加速淘汰低速開關頻率的傳統硅芯片,搶占中功率充電市場。

     

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    這款180mΩ TP44200NM采用5*7mm小型PQFN封裝,擁有專利的集成散熱技術,適用于高效率,高功率密度的電源系統,其產品的電流承載能力提高了50%。

     

    Superior GaN功率芯片集成了GaN Mosfet與GaN驅動器與保護控制功能,實現了使用簡單,體積小,速度快,較高功率的性能。TP44200NM 與競爭對手的解決方案不同,不需要額外設計9V~30V電源單獨給GaN Mosfet內部的GaN驅動器供電,這樣就能替工程師省去麻煩。

     

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    泰科天潤G5S6506Z 650V/6A碳化硅肖特基功率二極管,DFN5*6封裝,最高工作溫度175℃,用于PFC升壓整流。

     

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    LLC控制器采用TI德州儀器UCC256404,是一顆具有超低功耗、超靜音待機運行和高電壓啟動功能的LLC諧振控制器,專門設計用于與PFC控制器配對使用,以使用最少的外部組件提供完整的電源系統。

     

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    針對LLC架構的設計,LLC半橋開關管也是采用兩顆泰高TP44200NM氮化鎵器件,TP44200NM也不需要像競爭對手需要額外增加GaN Mosfet半橋驅動芯片去配合。TP44200NM的創新設計對主控芯片限制就大大減低,這樣的設計對于工程師大大降低的設計困難,以提高產品可靠性。

     

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    貼片Y電容來自特銳祥,型號TMY1222M,具有體積小、重量輕等特色,非常適合應用于氮化鎵快充這類高密度電源產品中。

     

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    同步整流控制器采用安森美NCP4306,支持CCM、DCM和QR工作模式,適用于反激或LLC應用。

     

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    四顆同步整流管均采用維安040N08HS,DFN5*6貼片封裝。

     

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    兩顆25V 680μF固態電容,用于同步整流輸出濾波。

     

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    模塊一側中間設有高壓濾波電解電容,對應板子區域鏤空以降低模塊厚度,左側連接小板套有絕緣管。

     

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    高壓濾波電解電容為ketucon品牌,包裹高溫膠帶絕緣,規格為420V 120μF。

     

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    另一端設有諧振電容和諧振電感。

     

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    諧振電容來自JURCC捷威電子,333J1KVDC。

     

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    另一側則設有供電電容和變壓器,變壓器上也貼有導熱墊。

     

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    PWM主控芯片供電電容規格為25V 220μF。

     

    三、泰高技術210W氮化鎵電源方案部分測試數據

     

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    泰高技術210W氮化鎵電源模塊能夠滿載工作在 90V-264V 范圍的工作條件下,板上輸出空載電壓范圍為 21.21-21.23V,輸出負載電壓范圍為 21.20-21.21V,輸出電壓隨負載變化輕微,有良好的電壓調整率。

     

    210W氮化鎵電源模塊可透過反饋電阻的修改,最大能輸出29V電壓,還可搭配二次降壓用于多口PD3.1 快充充電器。

     

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    在輸入電壓為110Vac環境下滿載輸出,測得紋波噪聲為180mV。

     

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    在輸入電壓為220Vac環境下滿載輸出,測得紋波噪聲為196mV,占比0.93%具有良好的指標。

     

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    小結:1、在 90Vac輸入電壓范圍內,滿負載輸出效率于 93.4%;其中 220Vac 輸入,滿負載輸出效率為 95.6%。2、最大待機功耗低于 150mW,符合能效六級的應用要求。

     

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    測試條件:不同電壓輸入,滿載輸出,室內環境 15℃測試,老化 60 分鐘。

     

    小結:


    1、泰高技術210W氮化鎵快充模塊在 90V 輸入環境下,滿載輸出條件下 60 分鐘,PFC 驅動氮化鎵 TP44200NM 溫度為 83.1℃;LLC 驅動氮化鎵 TP44200NM 溫度 93℃;LLC 變壓器溫度為 80.1℃;輸出同步整流管溫度為 82.7℃。

     

    2、在 220V 輸入環境下,滿載輸出條件下 60 分鐘,PFC 驅動氮化鎵 TP44200NM 溫度為 80.6℃;LLC 驅動氮化鎵 TP44200NM 溫度 89.3℃;LLC 變壓器溫度為 97.4℃;輸出同步整流管溫度為 75.7℃。

     

    對于從事電力電子設計的工程師而言,TP44200NM Superior GaN氮化鎵功率芯片為100W-240W應用提供了更佳的產品設計思路,如電腦一體機,電視,游戲機,電動滑板車,電動自行車等電動交通工具的充電器,游戲筆記本電腦等其他設備的充電器等。TP44200NM現已大批量生產,可立即從泰高技術的經銷合作伙伴處訂購。

     

    泰高技術研發團隊致力于開發寬禁帶技術的顛覆性解決方案,擁有眾多創新專利技術、芯片 IP 以及自有知識產權的測試設備,能顯著降低客戶端系統級解決方案的復雜性、 體積、重量和功耗等相關問題。

     

    由于中美貿易持續摩擦并無法短期獲得解決, 芯片的國產平替被提到了國家戰略的高度,泰高技術做為一家國產氮化鎵功率器件公司,致力于共同推動國產芯片產業發展;加速于國產功率芯片平替海外功率芯片布局。泰高技術的氮化鎵電源解決方案的器件選型已承諾客戶往100%國產優化;避免客戶購買非國產芯片而發生數量短缺、價格上漲甚至市場崩潰的情況。

     

    “泰高, 讓設計變簡單“是泰高技術的理想,我們致力于通過精巧的布局,使得工程師更加便捷設計,讓產品更經濟實用且可靠,并且我們的 Superior GaN 技術為更高效、更小、更可靠的全新解決方案帶來更多可能。

     

    充電頭網總結

     

    傳統百瓦級電源體積大、笨重,不僅占空間,外帶更是折磨人。泰高技術這套基于自家四顆TP44200NM Superior GaN功率芯片設計的電源方案,充分發揮了氮化鎵的優點,將輸出功率做到210W的同時,實現了模塊的小型化,兼具小巧與高功率,完美解決傳統百瓦級電源大而重兩大痛點。

     

    泰高技術的 210W 氮化鎵電源模塊參考設計,使用的是PFC+LLC 的高效架構,控制器采用的是知名大廠 TI 德州儀器的UCC28056及UCC256404,搭配泰高TP44200NM氮化鎵器件,可以獲得高轉換效率(95%@110Vac & 95.6% @220Vac,滿負載狀態),能降低電源產品的散熱需求而減輕產品重量。泰高技術的營運官說明在3月底前會推出100W/150W/240W的多口充電器解決方案,屆時這些方案已聯合其他國產品牌芯片共同推出。

     

    此外不局限于百瓦級直流電源輸出,這款電源參考設計還可根據客戶需求,在輸出端靈活設計二次降壓電路,實現多種接口以及不同電壓輸出支持,滿足靈活/可靠性/個性化需求。


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