单&双灵活方案设计,芯茂微 65W 第二代高频氮化镓方案性能测试

2023-02-07 10:26:14 3点赞 8收藏 1评论

前言

近日,芯茂微推出第二代 65W 高频氮化镓快充应用方案,其前端控制芯片 LP88G24DCD 专为氮化镓特性进行了优化设计,工作频率范围可达到 25kHz~500kHz,内置 HV 启动和 X 电容放电功能,极轻载下工作在“软跳频”模式功耗低而且噪音小;另外芯片内置输出电流感应和计算单元,无需复杂的补偿计算就可以准确控制电源的输出过流点;搭配其同步整流 LP35118V,可使其性能达到最大优化。

产品介绍

话不多说,先看方案。

单&双灵活方案设计,芯茂微 65W 第二代高频氮化镓方案性能测试

芯茂微 65W 第二代高频氮化镓方案设有绝缘胶带密封变压器、两级共模电感、安规X电容、滤波电感、三颗滤波电容。

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单&双 绕组变压器可选•灵活的方案设计,单绕组:利用VccH供电,无需外接LDO电路,双绕组:可以减少高压输出时的功耗。

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同时也采用焊接小板策略,并设有 TT8MF 整流桥;立体布置,节省空间。

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输出端配置单USB-C端口,过孔焊接固定。

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第二代高频氮化镓方案背面设有主令控制器、安规电容以及同步整流MOS等器件。

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LP88G24DCD 合封芯片内置650V级联型结构的GaN功率器件,采用QFN8*8封装,进一步减小芯片占板面积;芯片引脚间爬电距离2mm,在各种电源应用场合中都具有极高的可靠性;此外,它将主控和 GaN 的驱动脚都外置,且相邻布置,可以方便的通过串联电阻来改善EMC性能。

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以上是 LP88G24DCD 合封芯片的详细规格书,以供用户了解。

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芯茂微次级同步整流控制器 LP35118V,采用 SOT23-6L 封装,适用于AC-DC 的同步整流应用,支持DCM和CCM工作模式,并具有极快的关断速度,大幅度降低CCM工作模式下的效率损耗;同时,LP35118V 集成VCC供电技术,无需辅助绕组供电下,保证VCC不会欠压。

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以上为芯茂微次级同步整流控制器 LP35118V 的详细规格书。

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芯茂微 65W 第二代高频氮化镓方案宽度约为49.16mm。

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芯茂微 65W 第二代高频氮化镓方案长度约为48.12mm。

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芯茂微 65W 第二代高频氮化镓方案变压器高度约为22.27mm。

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芯茂微 65W 第二代高频氮化镓方案重量约为54.8g。

协议测试

测试充电设备完整的快充协议,可以根据具体的协议来匹配输出设备,从而获得更好的快充体验。

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使用POWER-Z KM003C测得USB-C端口支持QC3+、PD3.0和Apple 2.4A等充电协议。

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PDO报文方面,USB-C端口具有5V3A,9V3A、12V3A、15V3A和20V3.25A五组固定电压档位。

产品测试

充电兼容性测试

兼容性测试环节可以清楚的得知多功能插座为各个设备的充电情况,充电头网会使用几十款机型进行测试,为读者呈现真实的测试数据。

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iPhone 14 Plus 充电,功率为9.23V 2.93A 27.04W。

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手机充电可以达到快充功率,同时为笔记本充电也可以达到该 PCB 板 USB-C 接口的最大输出功率。

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将数据绘制成柱状图,可以看出支持笔记本在最高功率档位充电,同时针对其他设备的充电兼容性也十分亮眼。

充电全程测试

针对芯茂微的这款第二代高频氮化镓方案,USB-C 支持65W快充输出,所以此次充电全程测试选用的测试设备是 MacBook Air M2,充电全程在25℃的恒温箱中进行,接通电源,记录测试数据。

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接通电源握手20V电压档位;前19分钟功率稳定在60W左右;随后功率逐渐下降,第54分钟,功率下降至25W左右并持续充电至1小时13分,随后进入涓流充电直至充满,充电全程耗时2小时11分钟左右。

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将充电全程绘制成折线图,可以看出,这块 PCB 板 USB-C 接口为 MacBook Air M2充电,充至50%耗时33分钟,充至80%耗时1小时03分,完成充满则需要2小时11分。

空载功耗测试

现如今,用户使用充电器为设备充电结束后,不再从插座拔掉已成为常态。很多读者都想知道充电器如果一直插在插座上是否浪费电,待机功耗测试环节就是为了解答这个问题。

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经过功率计测试,充电器在220V 50Hz的空载功耗为0.047W,换算下来一年损耗的电能约为0.41KW·h,若市电价为0.6元/KW·h,则充电器一年的电费约为0.25元左右。

充电器在110V 60Hz时空载功耗为0.028W,换算下来,一年损耗的电能约为0.25KW·h,若市电价为0.6元/KW·h,则充电器一年的电费约为0.15元左右。

小结

经过上面的空载功耗测试,芯茂微 65W 第二代高频氮化镓方案 USB-C在220V 50Hz 下完全低于GB20943-2017的标准;在标准下,在220V 50Hz 的市电环境下插在插座上不使用,一年下来消耗电费约0.25元左右,在110V 60Hz 的电压环境下,一年下来消耗的电费约0.15元左右;基本可以忽略不计。

转换效率

充电器本质上是一种转换设备,过程中会有损耗,以热量的形式散发出来;充电器从插座上汲取的功率往往会比充电器标注的功率大一些;下图是芯茂微 65W 第二代高频氮化镓方案 USB-C板端的输出功率,使用横河 WT310E 功率计记录在各个电压档位下转换效率。

单&双灵活方案设计,芯茂微 65W 第二代高频氮化镓方案性能测试

将数据绘制成柱状图,可以看出,220V 50Hz 电压下转换效率在90-94%之间;110V 60Hz电压下转换效率则在91-93%之间。

纹波测试

由于充电器中采用开关电源,变压器次级输出的并非直流电,需要经过整流和电容滤波输出,也就是充电器输出会存在纹波;充电头网采用示波器测试充电器输出的纹波值,与国家标准进行比对,检测充电器的输出质量。纹波越低,充电器的输出质量就越高。

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通过柱状图可以看出,在220V 50Hz电压下纹波数值最高的是5V0A档位,数值为56.8mVp-p,纹波数值最低的20V0A档位,数值为35.2mVp-p。

在110V 60Hz电压下纹波数值最高的是5V0A档位,数值为40.8mVp-p,纹波数值最低的则是20V0A档位,数值为31.2mVp-p。

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通过柱状图可以看出,在220V 50Hz电压下,带载纹波最高的档位是5V3A,数值为52.8mVp-p,纹波最低的档位则是12V3A,数值为38.4mVp-p。

在110V 60Hz电压下,带载纹波最高的档位是20V3.25A,数值为121mVp-p,纹波最低的档位则是9V3A,数值为47.2mVp-p。

小结

国家标准中充电器纹波要求是不高于200mVp-p,芯茂微 65W 第二代高频氮化镓方案 USB-C 在110V 60Hz、220V 50Hz输入电压下,所有输出功率纹波峰峰值均低于121mVp-p,表现不错。

充电头网总结

芯茂微电子的氮化镓 GaN 器件采用级联结构,并且这种氮化镓器件相对于E-mode的氮化镓功率器件有诸多优势,导通损耗更低,驱动结构更简单,驱动容错性更强,非常适合用在开关电源上。

此 65W 第二代高频氮化镓方案采用方案芯片型号:LP88G24DCD(氮化镓合封驱动器)+LP35118V(同步整流),拥有单&双 绕组变压器可选•灵活的方案设计和优异的EMC性能,在各种电源应用场合中都具有极高的可靠性。

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