小米65W GaN充电器设计解析

2020-03-19 18:02:16 256点赞 337收藏 365评论

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创作立场声明:GaN 高频开关电源 是现代最先进的电源技术,希望有更多的朋友能享受到这份高科技带来的美好生活。

追加修改(2020-03-24 09:40:39):
感谢值友2072761404,提供的实测工作频率,低压250khz高压370khz 补充一下大家关心的工作温度问题。小米最高54度,毕亚兹最高55度,倍思60度。 倍思没有均热的铜箔或者金属,并且不能在海拔2000米以上,或者热带工作。而小米是海拔5000米以下,兰州以上的用户就不要考虑倍思了。 毕亚兹75x39x34mm 倍思75x36x32mm 小米56x30x30mm

作为一名专业的开关电源设计工程师。看到小米推出的65W GaN充电器的拆解图片之后是非常激动的。毫不犹豫的下单购买了两个。用行动表示了自己的支持。但是很多人并不了解小米65W GaN充电器设计的精湛之处。所以这里我就专门给大家从专业的角度点评一次。小米65W GaN充电器。

为什么是65W?

因为70W以上,为了符合国家对功率因数的要求,就不得不使用PFC主动功率因数校正电路了,体积就彻底压不住了。所以一般65W以上就直接做100W了。

小米65W GaN充电器设计解析

这款DER-602 100W电源右下角就是PFC所用的变压器,可以看到和主变压器体积几乎没有任何区别了。

图片全部是从充电头之家网站盗图。我自己就不拆我自己的充电头了。

体积更重要还是发热更重要?

很多人可能觉得小米65W GaN充电器 的发热还是比较厉害的。认为小米65W GaN充电器的效率并没有想象中的这么高。其实你们可能不太了解者之间是可以转换的。

小米65W GaN充电器设计解析

通过改变开关电源的工作频率这个中间变量,可以大幅度的缩小开关电源的体积。变压器,滤波电容,等等主要占体积的元器件都可以因为频率提高而缩小体积。

而提升频率的代价就是增加了开关次数,每次开关的损耗不变的前提下,功耗就这样增加了。GaN旗舰相对于传统的MOS管最大的优点其实是开关频率更高,和导通内阻更低。总而言之就是发热更小,速度更快。

小米65W GaN充电器设计解析

小米65W GaN充电器 这次选用的是 GaNFast芯片,大家应该注意到了,这个芯片主打的就是高速开关,最高2Mhz的开关速度惊艳全球。以前也有人试图使用传统硅基MOS管实现这件事情,但是代价是非常惨烈的。那就是发热严重,被迫无奈必须使用散热片。那样就反而损失了体积这个我们希望换取目标。

简而言之,GaNFast  就是通过提高频率,缩小了体积。放弃了低发热的特性。代价是GaN的高成本。

接下来我们来聊聊,为了实现这个1Mhz的高开关频率小米所付出的代价。

代价一,1Mhz高频率控制器。

小米65W GaN充电器设计解析

为什么我们会知道这个开关电源的工作频率是1Mhz,就是因为选用的这颗控制器的频率上限就是1Mhz。其实1Mhz高频的开关电源控制器非常的稀少。凤毛菱角。

代价二,平面PCB变压器。

小米65W GaN充电器设计解析

变压器作为开关电源最占空间的元器件。它的瘦身对于整个电源是至关重要的。如果它不能瘦下来,整个开关电源的体积就没有办法减下来。小米的这个平面PCB变压器,其实用到了两项核心技术,一项是平面磁芯技术,许多变压器,虽然使用了平面磁芯,但是依然使用的传统漆包线,或者扁平线绕制的。并不一定非要用PCB来替代绕组。另一项技术当然就是PCB绕组技术了。PCB绕组其实是平面变压器的致做法。

小米65W GaN充电器设计解析

如果我们仔细看,会发现,其实这块PCB不仅仅替代了传统的变压器绕组,更重要的是连同步整流器件,滤波器件也全部集成在了PCB之上。这是为了尽可能缩小体积,减少高频走线长度所必须的技术手段。

代价三,钽电容滤波输出

小米65W GaN充电器设计解析

PCB变压器绕组上的滤波电容,大家看到了不,这是钽电容,1Mhz的高开关频率,传统的固态电容基本已经可以全部罢工了,为什么很多开关电源的工作频率都在133khz以下,就是为了方便适配固态电容滤波,毕竟主流固态电容的最低内阻频率就在100khz

代价四,贴片安规电容

小米65W GaN充电器设计解析

大家仔细看,电路板中间的 ISI 符号的四颗大电容,这是贴片安规电容。相较于传统的直插安规电容,体积更小,价格更贵。之前风华有生产过,但是一直推广不起来。

代价五,双路贴片整流桥堆

小米65W GaN充电器设计解析

为了降低发热,这里使用了两颗整流桥作为高压整流所用。每颗整流桥可以整流3A,合起来就是6A。不过可惜的是,这并不是最新的肖特基型贴片整流桥堆。现在最先进的肖特基型整流桥堆可以达到4A的大电流整流。


小米65W GaN充电器设计解析

赛普拉斯CYPD3174协议芯片,不仅仅支持众多快充协议,最重要的是,它居然还能支持小米27W tuber闪充。内置的32位 ARM cortex-M0芯片堪称强大。

其实小米这款GaN充电器,整个黑科技满满,到处都是可圈可点的新技术。设计师的功利非同一般。更多的诸如贴片热敏电阻,贴片保险丝什么的就不一一介绍了。


第一个小米65W GaN充电器 小米官网原价购买的订单截图第一个小米65W GaN充电器 小米官网原价购买的订单截图



第二个是京东购买的,这两天京东突然有货了,就用plus券-5元,白条-3元。再次购入第二个是京东购买的,这两天京东突然有货了,就用plus券-5元,白条-3元。再次购入



实物正面照片实物正面照片

实物背面照片实物背面照片

右侧是Ravpower 61W充电器,用的就是PowiGaN右侧是Ravpower 61W充电器,用的就是PowiGaN

小米65W GaN充电器设计解析

最后给这两颗GaNFast芯片一个特写吧,现在这波最火的两个GaN器件,一个就是GaNFast,另一个是PI公司的PowiGaN。我作为一名PowiGaN设计的高级工程师,非常佩服同行的能力,对他表示最高的诚挚致意。特此撰文,帮助他让更多人了解开关电源设计这个行业的技术最新动态。

2020年3月19日 沈洁





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