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设计65W氮化镓PD适配器需要解决什么问题?

2020-11-02 顾正书 阅读:
近几年,随着智能手机的发展,手机的充电也从普通充电发展到快速充电,甚至超快充电。而快充或者超级快充一般都采用氮化镓(GaN)器件,最近,华为余承东表示:《华为已经掌握了200W无线充电技术》,随着快充/超级快充的功率越来越大,那么在设计方面也出现了一系列问题,其中比较重要的问题是电解电容的尺寸。

近几年,随着智能手机的发展,手机的充电也从普通充电发展到快速充电,甚至超快充电。而快充或者超级快充一般都采用氮化镓(GaN)器件,最近,华为余承东表示:《华为已经掌握了200W无线充电技术》,随着快充/超级快充的功率越来越大,那么在设计方面也出现了一系列问题,其中比较重要的问题是电解电容的尺寸。Qzvednc

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OPPO、小米和华为纷纷推出65W甚至更高功率的快充适配器,采用氮化镓(GaN)器件已成为提升开关频率、快速充电和提高功率的有效途径。随着电池容量和充电器输出功率的提高,适配器设计工程师面临着元器件数量和设计复杂度增加而导致的产品尺寸增大的窘态,如何缩小电解电容的尺寸成了一个不小的难题。Qzvednc

客户需求和市场竞争永远是技术和产品创新的驱动力,智能手机很好地诠释了这一“定律”。由于手机的性能配置越来越同质化,手机厂商开始从手机往外延伸寻求新的差异化卖点。增加摄像头数量是一个招数,与手机配套的配件也可以成为独特的卖点,甚至可以带来额外的收入和利润,TWS耳机和氮化镓充电器就是两个典型代表。Qzvednc

OPPO、小米和华为纷纷推出65W甚至更高功率的快充适配器,采用氮化镓(GaN)器件已成为提升开关频率、快速充电和提高功率的有效途径。随着电池容量和充电器输出功率的提高,适配器设计工程师面临着元器件数量和设计复杂度增加而导致的产品尺寸增大的窘态。Qzvednc

一方面,采用氮化镓(GaN)器件可以提升开关频率,从而降低变压器的尺寸。但是,宽范围的输入电压需要大电解电容支持才行。由于世界各国的电网电压变化很大,比如中国的交流电电压为220V,相对比较稳定。而印度的电网电压波动比较大,从90VAC至350VAC不等。宽输入电压范围工作要求输入滤波电容具有更大的容量(低压时),以及更高的耐压额定值(高压时)。为支持更高的耐压,电容制造商必须增加电容的尺寸,导致体积增加很多。这样充电器的整体尺寸还是无法缩小。Qzvednc

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与此同时,消费者又期望充电器重量和体积更小,更轻便携带。如何解决这一矛盾呢?Power Integrations最新推出的MinE-CAP芯片很好地解决了这一问题,最高可将AC-DC转换器的体积缩小40%。Qzvednc

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据PI产品营销总监Chris Lee称,这种器件在很大一部分储能中主要使用低电压额定电容,这样可以使这些元件的体积随电压线性缩小。USB PD技术为市场普遍采用小型65W充电器提供了巨大的推动力,许多公司都在设法通过提高开关频率来缩小反激式变压器的尺寸。MinE-CAP的体积节省比开关频率翻倍的效果更大,同时还能有效提高系统效率。Qzvednc

在低压输入时,MinE-CAP可以增加低压工作的电容容量。而在输入电压增加时,又可以将增加的容量减除。在设计中,由高效PowiGaN 开关将低压电容接入直流母线,这样就可以优化选择两个电容,即具有低耐压额定值的高容量电容和具有高耐压额定值的低容量电容。Qzvednc

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MinE-CAP器件可利用PowiGaN氮化镓晶体管的小尺寸和低RDSon,根据交流输入电压条件,主动、自动连接和断开大容量电容网络的各个部分。使用MinE-CAP的设计人员可选用交流高输入电压所需的最小高额定电压大容量电容,并将大部分储能分配给低压电容,这些电容由MinE-CAP提供保护,直到在交流低输入电压下需要时为止。这种方法可大幅缩小输入大容量电容的尺寸(高达50%),而不会影响输出纹波、工作效率或无需重新设计变压器。Qzvednc

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传统的功率变换解决方案通过提高开关频率来使用更小的变压器,从而减小电源尺寸。创新的MinE-CAP IC不仅可以大幅缩小电源的整体尺寸,同时还能减少元件数,降低EMI,并且避免与高频设计相关的变压器/箝位损耗增加的挑战。它的应用范围包括智能手机充电器、家电、电动工具、照明和汽车等。Qzvednc

PI提供了一个信用卡尺寸大小的 65W USB PD PPS 适配器设计范例,其尺寸规格为:82x51x12 mm。Qzvednc

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如果不采用这种MinE CAP器件,将无法将电源缩减至信用卡大小的尺寸。因为电解电容的圆柱形形状会造成空间浪费,而MinE-CAP 避免了空间浪费,大大增加了空间利用率,从而简化PCB 板布局及生产装配。此外,MinE-CAP器件还可大幅减小浪涌电流,这有助于省去NTC热敏电阻,提高系统效率,并减少热耗散。Qzvednc

Power Integrations公司将在11月25日上海举行的“国际汽车电子高峰论坛”上分享大功率器件的应用设计,欢迎报名参加!Qzvednc

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顾正书
电子工程专辑(EETimes China)主分析师
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