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    泰高技術推出市面首款 240W 氮化鎵 USB PD3.1多口快充電源方案

    2022-05-03

    泰高技術在四月推出了一款采用分立器件的PFC+LLC拓撲的210W氮化鎵電源模組方案,這電源模組方案已在知名線上媒體網站獲得上萬播放量,網友們評論激烈,這類小巧高效的電源產品對市場有一定的吸引力。210W的氮化鎵電源模組方案,一共使用四顆泰高技術第一代的 TP44200NM 合封氮化鎵開關管,分別在PFC和LLC上,兩顆用于PFC升壓,兩顆組成LLC半橋,能夠顯著減小了大功率電源體積。

     

    泰高技術最新推出了一款240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源方案,采用可編程數字電源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓撲,同時運用4顆泰高技術第二代的 TP44100SG 合封氮化鎵開關管,實現“更高效率,更大功率,更小體積,更低發熱?!?/span>

     

    240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源方案采用了新一代氮化鎵方案,PCBA 三圍尺寸為75.8*59.4*29.6mm3,大小與蘋果61W單口充電器相比小了20%體積,按照額定輸出功率240W計算,其功率密度高達1.8W/cm3;泰高技術實現了國內首家針對240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源方案中功率密度超過1.75W/cm3的參考設計。

     

    泰高技術這款240W氮化鎵電源參考設計使用可編程數字電源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓撲,輸出恒壓為29.5V,搭配二次降壓電路,使得氮化鎵充電器擁有 2C1A 共三個輸出口的配置,其中USB-C1支持140W輸出,USB-C2支持100W輸出,USB-A口支持30W輸出,三口支持同時快充輸出,性能強勁。USB-C1是基于USB PD 3.1新標準開發,支持 28V5A 140W大功率輸出,適配Macbook Pro 2021滿血快充。向下兼容USB PD 3.0,還支持市面各種常見的快充協議,不管是未來新快充標準設備,還是主流設備都能通吃,并照顧多設備充電需求。

     

    充電頭網已經拿到泰高技術這款240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源方案參考設計,下面就帶來這款電源設計以及測試解析。

     

    泰高技術 240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源方案參考設計外觀

     

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    泰高技術240W的氮化鎵USB PD3.1 多口快充電源方案參考設計采用可編程數字電源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓撲,固定電壓輸出,搭配三路獨立的同步降壓電路,滿足USB PD3.1 140W+USB PD3.0 100W同時輸出。

     

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    這款電源模塊主要由兩塊較大的PCB組成,其中上層PCB為同步整流輸出和同步降壓部分,下層PCB為PFC+LLC的初級電源部分,初級電源的零件布局是由于采用可編程數字電源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓撲與泰高技術第二代的 TP44100SG 合封氮化鎵開關管,就顯得更加緊湊與簡單。

     

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    電源背面是四顆泰高技術第二代的 TP44100SG 合封氮化鎵開關管,碳化硅二極管和一顆二合一控制器。

     

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    兩塊板子之間緊密的排列著PFC升壓電感、LLC變壓器、濾波電容等體積較大的插件物料,除了背面的氮化鎵器件外,其余發熱較高的器件都放在中間,散熱體驗更好。

     

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    三個接口的小板焊接在上層PCB上,同時在下層PCB上增加焊點為固定作用。

     

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    側面一覽,左側排針連接光耦用于輸出電壓反饋,右側USB-A小板焊接降壓電路。

     

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    左側是輸入濾波器件,綠色電容為LLC諧振電容,電容后面是諧振電感,右側為LLC變壓器,初級焊接在下層PCB上,次級直接焊接到上層PCB上進行同步整流。

     

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    輸入濾波和整流電路一覽。

     

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    使用游標卡尺測得PCB模塊長度為75.8mm。

     

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    寬度為59.4mm。

     

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    測得厚度為29.6mm。

     

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    測得參考設計重量約為181克。

     

    泰高技術 240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源參考設計解析

     

    首先從輸入端開始,逐一介紹這款電源的用料和設計。

     

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    電源輸入端延時保險絲規格為5A 250V。

     

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    輸入端黑色NTC熱敏電阻,用于上電浪涌電流抑制。

     

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    10D561K壓敏電阻,用于輸入過壓保護。

     

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    第一級共模電感,采用多層絕緣線繞制,綠色磁環,左側是黃色X電容。

     

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    最左側是整流輸出的濾波薄膜電容,中間是整流橋,右側是第二顆共模電感,外套熱縮管絕緣。

     

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    兩顆紅色薄膜電容之間是濾波電感,外套熱縮管包裹絕緣,為PFC輸入濾波。

     

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    泰高技術 240W氮化鎵快充參考設計使用NXP恩智浦 可編程數字電源芯片 TEA2016AAT 二合一控制器用于PFC和LLC控制。芯片內部集成高壓啟動和X電容放電,集成PFC控制器、LLC控制器以及對應的驅動器,PFC支持DCM和QR運行模式。

     

    TEA2016AAT內置數字架構,基于高速的數字內核控制器,PFC和LLC運行參數和保護參數可設置,為高度可靠的實時性能提供保障。并且TEA2016AAT具有高轉換效率和低待機功耗。

     

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    PFC升壓開關管使用兩顆泰高技術第二代的  TP44100SG 合封氮化鎵開關管。泰高技術 TP44100SG 是一顆650V耐壓,瞬態耐壓750V,90mΩ導阻的增強型合封驅動器氮化鎵開關管,支持0V~20V PWM 信號控制,支持傳統控制器和氮化鎵直驅控制器使用。


    在這兩種情況下都不需要外部供電VCC。歸功于 TP44100SG 合封氮化鎵開關管不需要VCC供電,應用在PFC+LCC 或 無橋PFC+ AHB 等大功率拓撲的設計提供更可靠與更簡單的設計。針對 TP44100SG 合封氮化鎵開關管做并聯去應用輸出電流大于60A的設計,其外圍器件簡單并且可以實現最多6顆合封氮化鎵開關管做并聯。

     

    泰高技術TP44100SG支持單管,半橋應用,適用于AC-DC,DC-DC,DC-AC應用,支持標準PFC和圖騰柱PFC應用,支持高頻LLC應用,支持快充、筆記本電源等充電應用。支持LED照明、電機驅動與服務器電源應用。

     

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    泰高技術 TP44100SG 采用QFN5*7mm2封裝,具有加強的散熱性能,其散熱的性能足跟市面上QFN6x8mm2 與 QFN8x8mm2 芯片封裝相競爭,封裝具有低電感,適合高頻高功率密度電源使用。

     

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    PFC開關管電流檢測電阻,采用2512封裝合金電阻,33mΩ。

     

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    PFC整流管使用泰科天潤 G5S6506Z,是一顆耐壓650V,162℃下工作電流6A,最高工作溫度175℃的碳化硅二極管,使用DFN5*6封裝。其具有零反向恢復特性,相比快恢復二極管更低的正向壓降,適合PFC功率因數校正電路使用。

     

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    泰科天潤 G5S6506Z 詳細資料。

     

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    PFC電路旁路二極管,絲印US5M,消除上電對PFC電路的沖擊。

     

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    高壓濾波電容使用兩顆并聯,其中一顆規格為120μF 420V。

     

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    另外一顆為33μF 420V。


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    LLC半橋使用兩顆泰高技術 TP44100SG 合封氮化鎵開關管組成,TP44100SG 的外圍電路簡單。應用半橋設計去驅動一顆 TP44100SG 只要2個電阻,1個電容,1個6.2V穩壓管等簡單零部件組成,最大優化其產品可靠性與設計簡單。

     

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    泰高技術 TP44100SG 氮化鎵開關管特寫。

     

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    LLC諧振電容特寫,來自捷威,MPP92-BOX諧振電容,高頻損耗小,噪聲小,使用樹脂外殼封裝,并使用環氧樹脂灌封,耐候能力提升,一致性好。電容規格為33nF,1000V耐壓。

     

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    LLC變壓器特寫,使用絕緣膠帶嚴密包裹。

     

    介紹完下層PCB功率級器件,下面來到上層PCB板。

     

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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。

     

    特銳祥專注于被動元器件的研發、生產及銷售,注冊資本1億元。旗下有自主電容品牌兩類:SMD TRX及DIP TY電容器,TRX將致力于陶瓷材料的研究,以拓展更多品類的應用,為客戶提供更多的解決方案。

     

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    充電頭網了解到,特銳祥貼片Y電容除了被麥多多100W氮化鎵、OPPO 65W超級閃充氮化鎵充電器、聯想90W氮化鎵快充、努比亞65W氮化鎵充電器、倍思120W氮化鎵+碳化硅PD快充充電器等數十款大功率充電器使用外,也可應用于海陸通、第一衛、貝爾金等品牌20W迷你快充上,性能獲得客戶一致認可。

     

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    1019光耦用于輸出電壓反饋。

     

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    同步整流控制器來自NXP恩智浦,TEA1995T,內置兩個同步整流驅動器,用于LLC拓撲開關電源同步整流。外圍器件精簡,待機功耗低。

     

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    兩顆同步整流管均來自維安,WMB040N08HGS,NMOS,耐壓80V,導阻3.2mΩ,采用PDFN5060-8L封裝。

     

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    另外一顆同步整流管,對應LLC變壓器兩個次級線圈。

     

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    兩顆濾波固態電容來自NJcon永立,規格為330μF 35V。

     

    輸出的交流電經過整流濾波后為直流電,送入三路獨立的降壓電路。

     

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    其中一路降壓電路特寫。

     

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    同步降壓控制器使用英集芯IP6550,英集芯 IP6550 是一款支持 36V 輸入的同步降壓控制器,內置 NMOS 管驅動,外置兩個 MOS 管進行高效同步整流降壓。IP6550 通過反饋引腳調節輸出電壓。開關頻率 135KHz,輸入端耐壓 48V,內置完善的保護功能。

     

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    同步降壓開關管使用兩顆銳駿半導體RUH4040,NMOS,耐壓40V,導阻5.5mΩ,采用PDFN3333封裝。

     

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    磁環降壓電感特寫,內部打膠固定。

     

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    輸出濾波固態電容,來自云星,220μF 35V。

     

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    78L05三端穩壓芯片,用于電路中芯片供電。

     

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    另外一路IP6550降壓電路。

     

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    同樣的兩顆MOS管用于降壓。

     

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    磁環降壓電感特寫,內部打膠固定。

     

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    輸出濾波固態電容,來自云星,220μF 35V。

     

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    用于降壓輸入濾波的云星固態電容,220μF 35V。

     

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    USB-A口使用智融SW3526多協議充電芯片輸出,SW3526支持USB-C和USB-A口輸出,芯片內部集成3.5A高效率同步降壓轉換器,支持PPS、PD、QC、AFC、FCP、SCP、PE、SFCP、低壓直充等充電協議,支持CC/CV模式,外部僅需少量器件。

     

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    對應的降壓電感和濾波電容。

     

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    USB-C以及USB-A輸出接口特寫。

     

    泰高技術 240W 氮化鎵 USB PD3.1 多口快充電源參考設計部分測試數據

     

    輸出電壓測試:

     

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    泰高技術240W氮化鎵快充參考設計能夠滿載工作在 90Vac-264Vac 范圍的工作條件下,板上輸出空載電壓范圍為29.51-29.53Vdc,輸出負載電壓范圍為29.5-29.53Vdc,輸出電壓隨負載變化輕微,有良好的電壓調整率。240W氮化鎵快充設計搭配三路獨立降壓電路,實現了140W+100W的PD快充輸出。

     

    紋波噪音測試:

     

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    110Vac輸入電壓下,滿載測試,測得紋波為246mV。

     

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    220Vac輸入電壓下,滿載測試,測得紋波為164mV。

     

    轉換效率測試:

     

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    在90Vac-264Vac輸入電壓范圍內, 240W氮化鎵快充板端平均轉換效率大于94.3%;其中220Vac輸入,滿載輸出效率為96.0%。240W氮化鎵快充最大待機功耗200mW,符合能效六級的應用要求。

     

    關鍵元件溫度測試:

     

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    使用Fluke TI200紅外熱成像儀對PCB進行測溫,環境溫度30℃。

     

    240W氮化鎵快充在90Vac輸入,滿載輸出條件下90分鐘,LLC驅動氮化鎵 TP44100SG 溫度109℃;PFC驅動氮化鎵 TP44100SG 溫度為106℃;LLC變壓器溫度為97.℃;輸出同步整流管溫度為103℃。

     

    240W氮化鎵快充在220Vac輸入,滿載輸出條件下90分鐘,LLC驅動氮化鎵 TP44100SG 溫度85℃;PFC驅動氮化鎵 TP44100SG 溫度為108℃;LLC變壓器溫度為103℃;輸出同步整流管溫度為97℃。

     

    接口輸出功率測試:

     

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    泰高技術240W氮化鎵快充輸出策略,USB-C1接口支持140W快充,獨立固定,不受功率分配影響,USB-C2與USB-A1均獨立支持快充,支持功率智能分配。

     

    USB PD3.1快充標準發布數月之久,這期間,泰高技術誕生了首款240W 氮化鎵 USB PD3.1快充充電器,加速新標準的商業化應用,也縮短客戶領先同行的產品開發時間。

     

    泰高技術的240W氮化鎵快充充電器參考設計,通過使用氮化鎵開關管配合PFC+LLC的高效架構,能滿足客戶端小體積而又高效的電源設計。參考設計已經在國家級實驗室里已經通過EMI/EMC測試,并且有足夠余量,能直接提供PCBA給終端品牌客戶生產,以利于品牌客戶縮短開發產品周期。

     

    泰高技術目前已推出多款完整的氮化鎵快充解決方案,現有包括大功率PD充電器應用的有210W / 240W ,氮化鎵插線板應用的有65W 1C+2A / 2C+1A兩種設計,未來也會開發300W以上的鋰電池充電器與750W 礦機電源與2.5KW 雙向OBC戶外電源方案等,有需求的伙伴或是客戶可以與泰高技術的業務團隊聯系,獲取更多產品詳細信息。


    郵箱地址:ttsales@tagoretech.com.cn


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    關于泰高技術

     

    深圳市泰高技術有限公司主要從事基于第三代半導體 硅(Si)基氮化鎵 及 碳化硅(SiC)基氮化鎵技術的集成電路研發和銷售,所研發的氮化鎵芯片已經被超過 60 家歐美國際大公司及30家國內大公司的采用。

     

    泰高技術的研發團隊源于德國公司英飛凌, 其芯片設計中心位于美國芝加哥(Chicago),另外在印度設有研發分部,全球研發人員有 50 位以上, 其中超過 80% 研發人員擁有博士學歷。研發團隊的背景主要在射頻氮化鎵領域深耕超過 10 余年,具有卓越的芯片設計能力,現有產品包括 RF 射頻開關(GaN-On-Si 寬帶技術) 、 射頻高功率放大器(GaN-On-SiC DHEMT 技術)、電源功率芯片(GaN-On-Si EHEMT 技術)和 射頻低噪聲放大器(GaAs 技術)  四大系列,全部具有國際領先水平。

     

    “泰高, 讓設計變簡單”是我們理想,實現這個理想得益于我們通過精巧的布局,使得工程師更加便捷設計,為產品更高效、更小、更可靠的全新解決方案帶來更多可能。

     

    充電頭網總結

     

    200W以上的電源通常又大又重,考驗著消費者的接受能力,市場上很少有品牌會推出功率這么大的快充電源,既是市場缺口,又很難令人接受。得益于氮化鎵新技術應用在快充電源上,高頻高效的優勢,能夠減小充電器中電感與變壓器的體積,還能減少散熱要求,通過使用氮化鎵技術并搭配小板組合焊接,能夠提升充電器空間利用率,幫助減小體積。

     

    泰高技術推出的240W PD3.1氮化鎵快充參考設計,使用NXP恩智浦二合一控制器,內置PFC和LLC控制器,簡化了電源初級設計。電源使用四顆泰高TP44100SG氮化鎵開關管,分別用于PFC升壓和LLC半橋,顯著提升了電源轉換效率,滿載效率達到96%以上,大大降低了發熱。

     

    泰高技術這款240W氮化鎵電源參考設計采用恒壓29.5V輸出,搭配二次降壓電路,支持2C1A三接口輸出,USB-C1支持USB PD3.1 28V 140W輸出,USB-C2支持100W輸出,USB-A口支持30W輸出,三口支持同時快充輸出,性能強勁,能同時滿足兩臺筆記本大功率快充需求。同時參考設計還可以根據客戶需求定制,滿足不同電壓輸出以及接口需求。


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