氮化鎵快充進入200W時代！大功率充電方案揭秘！
電子發燒友報道（文/李誠）隨著硅基氮化鎵成本的下探，65W氮化鎵快充已成為眾多手機的入門級標配。氮化鎵技術的普及，使得原本臃腫的充電器變得更輕便小巧，在輸出功率和產品的系統效率方面均有不小的提升。
65W對于一般的手機、平板、辦公筆記本而言可以輕松應對，但對于追求極致畫面、高性能數據處理的游戲筆記本而言，百瓦以下的快充已經無法滿足實際應用的需求，傳統的電源適配器又略顯笨重。鑒于氮化鎵充電器的高效性和緊湊性，不少廠商陸續推出了適用于游戲筆記本的高功率氮化鎵充電器設計方案。
英諾賽科PFC+LLC 200W氮化鎵快充方案
此前，英諾賽科推出了一款200W的氮化鎵快充Demo，該設計采用的是PFC+LLC的系統架構，是在基于英諾賽科氮化硅功率開關管的基礎上，搭配MPS的HR1211二合一數字主控芯片和MP6924同步整流芯片實現的。
HR1211電路拓撲 圖源：MPS
HR1211在應用中會根據實際系統電流的變化，判斷出當前的負載狀態，并做出CCM與DCM工作模式的切換。當系統處于重載狀態時，PFC會自動進入CCM模式，隨著負載的提升，開關頻率也會隨之提高，反之負載降低時，系統開關頻率也會隨之下降。當負載降低至一定值時PFC會自動切換進入DCM模式，LLC級也會自動進入調頻模式或突發模式，以此降低開關頻率和開關損耗，保持系統的高效性。
該設計在PFC電路部分，采用了英諾賽科自家的650V增強型氮化鎵功率晶體管INN650D260A和泰科天潤的碳化硅二極管G3S06505R，通過氮化鎵與碳化硅高頻、低導通電阻的特性，進而提高充電器的功率密度和轉換效率。
同時，LLC級還具有自適應死區時間追蹤和調節的能力，進而確保ZVS 操作在任何條件下死區時間最小，避免橋臂的直通產生不必要的額外損耗。這些特性對與提高充電器效率和功率密度起到了至關重要的作用。
圖源：MPS
上圖為HR1211在100W的電源應用中輸出電壓為20V時，系統效率隨負載升高的變化曲線。在高壓線路應用中，系統轉換效率最高可達93%左右，平均效率為89%；在低壓線路應用中，系統轉換效率最高為92%，平均效率為88.6%。值得一提的是，HR1211在空載模式下功率損耗 <100mW。
目前，HR1211多與MP692XX系列芯片主要是在100W以上的大功率充電器中搭配使用，并且已有多款產品量產并進入市場。在英諾賽科的200W氮化鎵充電器設計方案中，采用了MP6924作為同步整流IC。
次級端同步整流電路 圖源：MPS
之所以使用MOSFET而不是使用二極管，是因為單個二極管在導通時會降低系統電路中0.7V~1V的電壓，并降低效率。舉個例子，假設在輸出電壓為20V的電路中，降低1V的電壓就相當于降低了5%的系統效率，而使用MOSFET由于導通電阻低的原因，并不會對最終效率產生過大的影響。
據英諾賽科表示，該方案在90Vac低壓輸入模式下，系統滿載效率最高可達94%。在230Va輸入模式下，系統滿載效率最高可達96.4%。
GaN Systems 250W AC/DC 氮化鎵充電器設計
1月5日，GaN Systems推出了體積小50%，重量減輕40%的250W氮化鎵充電器設計方案，該方案采用了兩級式的功率調節系統Boost PFC+半橋LLC。
圖源：GaN Systems
上圖為GaN Systems 250W充電器設計的Demo和電路拓撲圖，分別在PFC和LLC部分使用了自家的650V GS-065- 0112-L氮化鎵晶體管，但具體的控制器型號尚未公布。
PFC部分主要負責將電網輸出的交流電壓提升至400V的總線直流電壓。據悉，GaN Systems在該部分采用數字型PFC控制器，支持CCM和DCM工作模式切換，降低了不必要的電能損耗。
通過Demo與電路拓撲圖可以看出，GaN Systems在PFC部分使用了兩個并聯的650V GS-065- 0112-L氮化鎵晶體管，以及一顆碳化硅的開關二極管。通過二者高頻，且反向恢復電流近乎為零的電氣特性，進一步保證了系統的高效性。
LLC部分主要負責將400V的直流電壓降低至19V輸出。據悉，該設計中采用的LLC轉換器在諧振模式下可提供更高的效率，同時還能為MOSFET提供正弦電壓或正弦電流，并在接近于正弦電壓或電流的過零點處開關，以此大幅降低MOSFET的功耗。
該LLC控制器采用的是電流控制模式，通過將轉換器的占空比設置為0.5，實現調節電壓的輸出。同樣在LLC電路中也采用了兩顆650V GS-065- 0112-L氮化鎵晶體管，以此獲得更高的開關頻率，并增加功率密度。
250W氮化鎵充電器關鍵參數 圖源：GaN Systems
上圖為該方案重要參數，支持90V~264V的交流寬壓輸入，輸出功率最高可達250W 19V/13.2A。在滿載的情況下，系統效率能夠保持在95%以上。在待機狀態下，系統功耗低于150mW。
圖源：GaN Systems
通過緊湊的布局和氮化鎵、碳化硅開關管的加持，以及超薄的設計，最終成品（帶殼）大小為171mm*68mm*22mm，與兩臺疊放在一起的iPhone 13 Pro Max規格大小相近，和同等輸出功率的充電器相比尺寸減少了50%，功率密度也達到了16W/in3。
（a）115Vac （b）230Vac 圖源：GaN Systems
上圖為250W充電器在25℃環境溫度下連續運行一小時的熱成像圖，當充電器輸入115V交流電壓時，正反面的平均溫度為75.8℃。當輸入230V交流電壓時，正反面的平均溫度為70.3℃，扣除室溫整體溫升在45℃至50℃之間。
目前市面上的65W氮化鎵快充，在滿載的工作狀態下，單口的充電器溫度一般會在70攝氏度左右，多口的充電器通常會超過70攝氏度，甚至達到80℃~90℃。因此該充電器的工作溫度并不算高，且遠低于國家對充電器表面最高溫度95℃的標準。
結語
如今筆記本電腦已成為生產力工具的代表，高效輕薄的大功率充電器已成為我們的剛需，隨著氮化鎵成本低的下探以及充電技術的發展，相信在不久的將來會有更多的方案推出，并進入市場，以此滿足用戶的需求。
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