從應用到方案，GaN為高功率密度USB-PD設計助力，WAYON維安方案設計代理商KOYUELEC光與電子

得益于近年來PD快充協(xié)議規(guī)范的快速發(fā)展與充電標準接口的產(chǎn)業(yè)引導，采用統(tǒng)一標準接口的USB Type-C PD電源，為移動設備的便攜充電帶來了前所未有的便捷性。

對于便攜式電子設備，充電器的高功率能力非常重要，因為這意味著設備電池可以更快地完成充電。USB PD 3.0標準定義了電源輸出電壓和功率規(guī)范，以確保不同PD電源和設備之間的兼容性。根據(jù)其額定功率，電源輸出電壓為5V、9V、15V和20V四個電壓等級，允許通過的最大電流為3A。最大電流水平也可以提高至5A，但需要提供一條特殊的、帶電氣標記的線纜以確保安全。

圖1 USB PD電源功率規(guī)范圖

隨著手機、筆記本、游戲機等都逐步加入對于PD快充協(xié)議的支持，PD充電器這個品類也開始在國內(nèi)外的充電器市場上百花齊放。采用USB Type-C接口的PD3.0協(xié)議電源，能根據(jù)便攜式設備的負載要求將輸出電壓提高到5V以上，在提供高達100W的功率的同時仍能向下兼容通用5V充電功能。這意味著用戶只需攜帶一個USB PD電源，即可滿足手機、筆記本等移動設備的電池快速充電需求，方便且經(jīng)濟高效。移動電子設備制造商不再需要為其產(chǎn)品配備電源適配器，這不僅降低了成本，而且減少了電子垃圾，改善了環(huán)境。

根據(jù)充電頭網(wǎng)的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前USB PD電源的主流功率段是65W，主流電源拓撲是QR準諧振反激。主要原因是由于65W這個功率段覆蓋了主流移動電子設備(手機、平板電腦、筆記本電腦)的快充需求，傳統(tǒng)的QR準諧振反激拓撲又兼顧了消費類電子市場的性價比需求和成熟的上下游產(chǎn)業(yè)供應鏈。

圖2 PD快充電源產(chǎn)品功率分布

圖3 PD快充電源拓撲方案分布

與傳統(tǒng)硅基功率半導體器件相比，以GaN為代表的WBG Device 第三代半導體在材料特性和電氣性能上體現(xiàn)出了飛躍性的技術進步，如導通電阻、開關速度較硅基器件約有近10倍的性能提升。

例如在USB PD電源應用領域，采用GaN替代傳統(tǒng)硅基半導體開關實現(xiàn)功率方案，對電源功率密度的顯著提高是一項非常值得期待和普及的技術。目前GaN器件搭配高頻高效拓撲和磁集成技術的電源解決方案，推動著USB PD電源產(chǎn)品朝著更加小型化和便攜性的方向發(fā)展。

圖4 第三代半導體的性能優(yōu)勢

圖5 PD電源的不斷小型化的市場迭代方向

毫無疑問，GaN是實現(xiàn)電源小型化和高功率密度的關鍵器件。在一個65W手機快充的典型應用中，用氮化鎵功率器件替代傳統(tǒng)硅器件，把開關頻率提高到原先的2倍，可以實現(xiàn)近5%的效率提升，節(jié)省15%~30%的系統(tǒng)體積和成本。目前移動類消費電子產(chǎn)品的電池續(xù)航能力依然沒有實質(zhì)性突破，所以USB-PD快充仍然是目前解決移動電子設備電池續(xù)航焦慮的重要手段。

圖6 65W PD快充的一個典型應用評估

應用在消費類電子充電器電源場合的65W USB-PD，需要采用隔離AC-DC電源，以便滿足安規(guī)要求，在系統(tǒng)層面亦有很多應用要求和指標。

AC輸入電壓范圍：

適配全球電壓90Vac~264Vac，50/60Hz

DC輸出：

USB-type C， 3V/9V/12V/20V 3A，20V 3.25A，65W Max

待機功耗：

<75mW，30~50mW

電磁兼容性:

EN55032 Class B (>6dB margin)

電源效率：

Ave Efficiency >91%

器件溫升：

Tc <95C@25C

功率密度：

1.5+ W/cc (Size≤35cc) for PCBA

系統(tǒng)異常狀況的保護功能:

OVP, OCP, SCP, OTP

如圖7是維安功率半導體方案研發(fā)部設計的一個典型的65W USB-PD整體解決方案。主功率拓撲是傳統(tǒng)QR準諧振反激變換器;原邊使用650V高壓e-GaN和SSR IC控制器;副邊使用120V中低壓MOSFET和SR IC控制器以及反饋環(huán)路的431;協(xié)議部分使用了30V P-MOSFET和5V、12V、15V TVS。SSR IC通過檢測原邊開關管在VDS谷底處開通，實現(xiàn)零電流谷底開通，從而降低原邊開關管的開通損耗;副邊SR IC控制同步整流管實現(xiàn)相對低的導通損耗;協(xié)議部分采用PD3.0協(xié)議IC搭配P-MOSFET負載開關做輸出功率匹配。

圖7 維安USB PD快充整體解決方案

圖8則是對應的實際電源系統(tǒng)方案的參考設計。為實現(xiàn)PD方案的高效率, 原邊開關管使用了一款650V 150mΩ GaN WGB65E150S，副邊同步整流搭載一款120V 7.2mΩ的中低壓MOSFET WMB072N120LG2;變壓器采用了ATQ23.7，Bmax在最惡劣工況下有30%左右的設計裕量，降低了變壓器磁飽和的風險，配合SSR IC的各項異常保護功能從設計上保證了極限應用的可靠性;同時將電源的開關頻率運行在150kHz以內(nèi)，將整個系統(tǒng)PCBA體積做到了38cc，對應的功率密度為1.88W/cc (30.7W/in3)。

圖8 USB PD 65W參考設計demo

圖9 65W完整方案的系統(tǒng)效率

圖10 EMI傳導

圖11 輻射CDN

為了驗證這個65W USB-PD demo的關鍵性能，我們分別做了效率測試和EMI測試。從圖9的效率測試結果看，系統(tǒng)的平均效率遠遠高于DOE六級能效要求，滿載效率約為92%;10%負載的輕載效率也達到78%以上。圖10的EMI傳導裕量大于6dB，圖11用CDN模擬的輻射測試結果也滿足應用標準。

上述65W的參考設計是維安GaN在USB-PD應用上的一個完整方案開發(fā)，利用GaN器件的高頻高效優(yōu)勢，結合Layout和變壓器方面的系統(tǒng)級優(yōu)化設計，將完整方案的功率密度做到了同類平臺更優(yōu)的水準，方便客戶在當前以小型化為主導的市場上去實現(xiàn)產(chǎn)品化;且系統(tǒng)效率和EMI性能均有很好的保障，掃除方案關鍵性能的障礙，以便客戶在后期產(chǎn)品研發(fā)階段快速評估和量產(chǎn)導入。

值得一提的是，上述65W USB-PD方案中使用了維安的多種產(chǎn)品組合，如原邊高壓E-GaN，副邊同步整流中低壓MOSFET，副邊電壓反饋基準調(diào)節(jié)器431，協(xié)議負載開關應用的低壓P-MOSFET，以及type-C口的TVS。具體型號見表1.

表1 維安USB PD快充解決方案對應的器件料號

隨著人們對PD快充電源便攜性以及高效環(huán)保的重視，我們看到了GaN在快充市場應用已經(jīng)成為大趨勢。如今，包含GaN在內(nèi)的廣義上的寬禁帶技術半導體能夠很好的滿足大批量應用的嚴格要求，為原始設備制造商帶來更高的效率和功率密度，再搭配Si基半導體產(chǎn)品組合將為市場帶來更多選擇和便利性，降低系統(tǒng)成本和運營成本。

審核編輯：湯梓紅