泰高技术推出市面首款 240W 氮化镓 USB PD3.1多口快充电源方案

2022-05-03

泰高技术在四月推出了一款采用分立器件的PFC+LLC拓扑的210W氮化镓电源模组方案,这电源模组方案已在知名线上媒体网站获得上万播放量,网友们评论激烈,这类小巧高效的电源产品对市场有一定的吸引力。210W的氮化镓电源模组方案,一共使用四颗泰高技术第一代的 TP44200NM 合封氮化镓开关管,分别在PFC和LLC上,两颗用于PFC升压,两颗组成LLC半桥,能够显著减小了大功率电源体积。

 

泰高技术最新推出了一款240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案,采用可编程数字电源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓扑,同时运用4颗泰高技术第二代的 TP44100SG 合封氮化镓开关管,实现“更高效率,更大功率,更小体积,更低发热。”

 

240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案采用了新一代氮化镓方案,PCBA 三围尺寸为75.8*59.4*29.6mm³,大小与苹果61W单口充电器相比小了20%体积,按照额定输出功率240W计算,其功率密度高达1.8W/cm³;泰高技术实现了国内首家针对240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案中功率密度超过1.75W/cm³的参考设计。

 

泰高技术这款240W氮化镓电源参考设计使用可编程数字电源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓扑,输出恒压为29.5V,搭配二次降压电路,使得氮化镓充电器拥有 2C1A 共三个输出口的配置,其中USB-C1支持140W输出,USB-C2支持100W输出,USB-A口支持30W输出,三口支持同时快充输出,性能强劲。USB-C1是基于USB PD 3.1新标准开发,支持 28V5A 140W大功率输出,适配Macbook Pro 2021满血快充。向下兼容USB PD 3.0,还支持市面各种常见的快充协议,不管是未来新快充标准设备,还是主流设备都能通吃,并照顾多设备充电需求。

 

充电头网已经拿到泰高技术这款240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案参考设计,下面就带来这款电源设计以及测试解析。

 

泰高技术 240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案参考设计外观

 

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泰高技术240W的氮化镓USB PD3.1 多口快充电源方案参考设计采用可编程数字电源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓扑,固定电压输出,搭配三路独立的同步降压电路,满足USB PD3.1 140W+USB PD3.0 100W同时输出。

 

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这款电源模块主要由两块较大的PCB组成,其中上层PCB为同步整流输出和同步降压部分,下层PCB为PFC+LLC的初级电源部分,初级电源的零件布局是由于采用可编程数字电源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓扑与泰高技术第二代的 TP44100SG 合封氮化镓开关管,就显得更加紧凑与简单。

 

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电源背面是四颗泰高技术第二代的 TP44100SG 合封氮化镓开关管,碳化硅二极管和一颗二合一控制器。

 

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两块板子之间紧密的排列着PFC升压电感、LLC变压器、滤波电容等体积较大的插件物料,除了背面的氮化镓器件外,其余发热较高的器件都放在中间,散热体验更好。

 

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三个接口的小板焊接在上层PCB上,同时在下层PCB上增加焊点为固定作用。

 

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侧面一览,左侧排针连接光耦用于输出电压反馈,右侧USB-A小板焊接降压电路。

 

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左侧是输入滤波器件,绿色电容为LLC谐振电容,电容后面是谐振电感,右侧为LLC变压器,初级焊接在下层PCB上,次级直接焊接到上层PCB上进行同步整流。

 

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输入滤波和整流电路一览。

 

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使用游标卡尺测得PCB模块长度为75.8mm。

 

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宽度为59.4mm。

 

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测得厚度为29.6mm。

 

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测得参考设计重量约为181克。

 

泰高技术 240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源参考设计解析

 

首先从输入端开始,逐一介绍这款电源的用料和设计。

 

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电源输入端延时保险丝规格为5A 250V。

 

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输入端黑色NTC热敏电阻,用于上电浪涌电流抑制。

 

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10D561K压敏电阻,用于输入过压保护。

 

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第一级共模电感,采用多层绝缘线绕制,绿色磁环,左侧是黄色X电容。

 

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最左侧是整流输出的滤波薄膜电容,中间是整流桥,右侧是第二颗共模电感,外套热缩管绝缘。

 

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两颗红色薄膜电容之间是滤波电感,外套热缩管包裹绝缘,为PFC输入滤波。

 

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泰高技术 240W氮化镓快充参考设计使用NXP恩智浦 可编程数字电源芯片 TEA2016AAT 二合一控制器用于PFC和LLC控制。芯片内部集成高压启动和X电容放电,集成PFC控制器、LLC控制器以及对应的驱动器,PFC支持DCM和QR运行模式。

 

TEA2016AAT内置数字架构,基于高速的数字内核控制器,PFC和LLC运行参数和保护参数可设置,为高度可靠的实时性能提供保障。并且TEA2016AAT具有高转换效率和低待机功耗。

 

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PFC升压开关管使用两颗泰高技术第二代的  TP44100SG 合封氮化镓开关管。泰高技术 TP44100SG 是一颗650V耐压,瞬态耐压750V,90mΩ导阻的增强型合封驱动器氮化镓开关管,支持0V~20V PWM 信号控制,支持传统控制器和氮化镓直驱控制器使用。


在这两种情况下都不需要外部供电VCC。归功于 TP44100SG 合封氮化镓开关管不需要VCC供电,应用在PFC+LCC 或 无桥PFC+ AHB 等大功率拓扑的设计提供更可靠与更简单的设计。针对 TP44100SG 合封氮化镓开关管做并联去应用输出电流大于60A的设计,其外围器件简单并且可以实现最多6颗合封氮化镓开关管做并联。

 

泰高技术TP44100SG支持单管,半桥应用,适用于AC-DC,DC-DC,DC-AC应用,支持标准PFC和图腾柱PFC应用,支持高频LLC应用,支持快充、笔记本电源等充电应用。支持LED照明、电机驱动与服务器电源应用。

 

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泰高技术 TP44100SG 采用QFN5*7mm²封装,具有加强的散热性能,其散热的性能足跟市面上QFN6x8mm² 与 QFN8x8mm² 芯片封装相竞争,封装具有低电感,适合高频高功率密度电源使用。

 

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PFC开关管电流检测电阻,采用2512封装合金电阻,33mΩ。

 

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PFC整流管使用泰科天润 G5S6506Z,是一颗耐压650V,162℃下工作电流6A,最高工作温度175℃的碳化硅二极管,使用DFN5*6封装。其具有零反向恢复特性,相比快恢复二极管更低的正向压降,适合PFC功率因数校正电路使用。

 

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泰科天润 G5S6506Z 详细资料。

 

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PFC电路旁路二极管,丝印US5M,消除上电对PFC电路的冲击。

 

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高压滤波电容使用两颗并联,其中一颗规格为120μF 420V。

 

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另外一颗为33μF 420V。


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LLC半桥使用两颗泰高技术 TP44100SG 合封氮化镓开关管组成,TP44100SG 的外围电路简单。应用半桥设计去驱动一颗 TP44100SG 只要2个电阻,1个电容,1个6.2V稳压管等简单零部件组成,最大优化其产品可靠性与设计简单。

 

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泰高技术 TP44100SG 氮化镓开关管特写。

 

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LLC谐振电容特写,来自捷威,MPP92-BOX谐振电容,高频损耗小,噪声小,使用树脂外壳封装,并使用环氧树脂灌封,耐候能力提升,一致性好。电容规格为33nF,1000V耐压。

 

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LLC变压器特写,使用绝缘胶带严密包裹。

 

介绍完下层PCB功率级器件,下面来到上层PCB板。

 

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贴片Y电容来自特锐祥,型号TMY1222M,具有体积小、重量轻等特色,非常适合应用于氮化镓快充这类高密度电源产品中。

 

特锐祥专注于被动元器件的研发、生产及销售,注册资本1亿元。旗下有自主电容品牌两类:SMD TRX及DIP TY电容器,TRX将致力于陶瓷材料的研究,以拓展更多品类的应用,为客户提供更多的解决方案。

 

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充电头网了解到,特锐祥贴片Y电容除了被麦多多100W氮化镓OPPO 65W超级闪充氮化镓充电器联想90W氮化镓快充努比亚65W氮化镓充电器倍思120W氮化镓+碳化硅PD快充充电器等数十款大功率充电器使用外,也可应用于海陆通第一卫贝尔金等品牌20W迷你快充上,性能获得客户一致认可

 

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1019光耦用于输出电压反馈。

 

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同步整流控制器来自NXP恩智浦,TEA1995T,内置两个同步整流驱动器,用于LLC拓扑开关电源同步整流。外围器件精简,待机功耗低。

 

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两颗同步整流管均来自维安,WMB040N08HGS,NMOS,耐压80V,导阻3.2mΩ,采用PDFN5060-8L封装。

 

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另外一颗同步整流管,对应LLC变压器两个次级线圈。

 

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两颗滤波固态电容来自NJcon永立,规格为330μF 35V。

 

输出的交流电经过整流滤波后为直流电,送入三路独立的降压电路。

 

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其中一路降压电路特写。

 

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同步降压控制器使用英集芯IP6550,英集芯 IP6550 是一款支持 36V 输入的同步降压控制器,内置 NMOS 管驱动,外置两个 MOS 管进行高效同步整流降压。IP6550 通过反馈引脚调节输出电压。开关频率 135KHz,输入端耐压 48V,内置完善的保护功能。

 

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同步降压开关管使用两颗锐骏半导体RUH4040,NMOS,耐压40V,导阻5.5mΩ,采用PDFN3333封装。

 

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磁环降压电感特写,内部打胶固定。

 

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输出滤波固态电容,来自云星,220μF 35V。

 

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78L05三端稳压芯片,用于电路中芯片供电。

 

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另外一路IP6550降压电路。

 

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同样的两颗MOS管用于降压。

 

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磁环降压电感特写,内部打胶固定。

 

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输出滤波固态电容,来自云星,220μF 35V。

 

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用于降压输入滤波的云星固态电容,220μF 35V。

 

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USB-A口使用智融SW3526多协议充电芯片输出,SW3526支持USB-C和USB-A口输出,芯片内部集成3.5A高效率同步降压转换器,支持PPS、PD、QC、AFC、FCP、SCP、PE、SFCP、低压直充等充电协议,支持CC/CV模式,外部仅需少量器件。

 

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对应的降压电感和滤波电容。

 

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USB-C以及USB-A输出接口特写。

 

泰高技术 240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源参考设计部分测试数据

 

输出电压测试:

 

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泰高技术240W氮化镓快充参考设计能够满载工作在 90Vac-264Vac 范围的工作条件下,板上输出空载电压范围为29.51-29.53Vdc,输出负载电压范围为29.5-29.53Vdc,输出电压随负载变化轻微,有良好的电压调整率。240W氮化镓快充设计搭配三路独立降压电路,实现了140W+100W的PD快充输出。

 

纹波噪音测试:

 

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110Vac输入电压下,满载测试,测得纹波为246mV。

 

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220Vac输入电压下,满载测试,测得纹波为164mV。

 

转换效率测试:

 

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在90Vac-264Vac输入电压范围内, 240W氮化镓快充板端平均转换效率大于94.3%;其中220Vac输入,满载输出效率为96.0%。240W氮化镓快充最大待机功耗200mW,符合能效六级的应用要求。

 

关键元件温度测试:

 

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使用Fluke TI200红外热成像仪对PCB进行测温,环境温度30℃。

 

240W氮化镓快充在90Vac输入,满载输出条件下90分钟,LLC驱动氮化镓 TP44100SG 温度109℃;PFC驱动氮化镓 TP44100SG 温度为106℃;LLC变压器温度为97.℃;输出同步整流管温度为103℃。

 

240W氮化镓快充在220Vac输入,满载输出条件下90分钟,LLC驱动氮化镓 TP44100SG 温度85℃;PFC驱动氮化镓 TP44100SG 温度为108℃;LLC变压器温度为103℃;输出同步整流管温度为97℃。

 

接口输出功率测试:

 

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泰高技术240W氮化镓快充输出策略,USB-C1接口支持140W快充,独立固定,不受功率分配影响,USB-C2与USB-A1均独立支持快充,支持功率智能分配。

 

USB PD3.1快充标准发布数月之久,这期间,泰高技术诞生了首款240W 氮化镓 USB PD3.1快充充电器,加速新标准的商业化应用,也缩短客户领先同行的产品开发时间。

 

泰高技术的240W氮化镓快充充电器参考设计,通过使用氮化镓开关管配合PFC+LLC的高效架构,能满足客户端小体积而又高效的电源设计。参考设计已经在国家级实验室里已经通过EMI/EMC测试,并且有足够余量,能直接提供PCBA给终端品牌客户生产,以利于品牌客户缩短开发产品周期。

 

泰高技术目前已推出多款完整的氮化镓快充解决方案,现有包括大功率PD充电器应用的有210W / 240W ,氮化镓插线板应用的有65W 1C+2A / 2C+1A两种设计,未来也会开发300W以上的锂电池充电器与750W 矿机电源与2.5KW 双向OBC户外电源方案等,有需求的伙伴或是客户可以与泰高技术的业务团队联系,获取更多产品详细信息。


邮箱地址:ttsales@tagoretech.com.cn


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关于泰高技术

 

深圳市泰高技术有限公司主要从事基于第三代半导体 硅(Si)基氮化镓 及 碳化硅(SiC)基氮化镓技术的集成电路研发和销售,所研发的氮化镓芯片已经被超过 60 家欧美国际大公司及30家国内大公司的采用。

 

泰高技术的研发团队源于德国公司英飞凌, 其芯片设计中心位于美国芝加哥(Chicago),另外在印度设有研发分部,全球研发人员有 50 位以上, 其中超过 80% 研发人员拥有博士学历。研发团队的背景主要在射频氮化镓领域深耕超过 10 余年,具有卓越的芯片设计能力,现有产品包括 RF 射频开关(GaN-On-Si 宽带技术) 、 射频高功率放大器(GaN-On-SiC DHEMT 技术)、电源功率芯片(GaN-On-Si EHEMT 技术)和 射频低噪声放大器(GaAs 技术)  四大系列,全部具有国际领先水平。

 

“泰高, 让设计变简单”是我们理想,实现这个理想得益于我们通过精巧的布局,使得工程师更加便捷设计,为产品更高效、更小、更可靠的全新解决方案带来更多可能。

 

充电头网总结

 

200W以上的电源通常又大又重,考验着消费者的接受能力,市场上很少有品牌会推出功率这么大的快充电源,既是市场缺口,又很难令人接受。得益于氮化镓新技术应用在快充电源上,高频高效的优势,能够减小充电器中电感与变压器的体积,还能减少散热要求,通过使用氮化镓技术并搭配小板组合焊接,能够提升充电器空间利用率,帮助减小体积。

 

泰高技术推出的240W PD3.1氮化镓快充参考设计,使用NXP恩智浦二合一控制器,内置PFC和LLC控制器,简化了电源初级设计。电源使用四颗泰高TP44100SG氮化镓开关管,分别用于PFC升压和LLC半桥,显著提升了电源转换效率,满载效率达到96%以上,大大降低了发热。

 

泰高技术这款240W氮化镓电源参考设计采用恒压29.5V输出,搭配二次降压电路,支持2C1A三接口输出,USB-C1支持USB PD3.1 28V 140W输出,USB-C2支持100W输出,USB-A口支持30W输出,三口支持同时快充输出,性能强劲,能同时满足两台笔记本大功率快充需求。同时参考设计还可以根据客户需求定制,满足不同电压输出以及接口需求。