2020年氮化鎵快充在行業(yè)中熱度極高，氮化鎵在帶來高頻小體積良好體驗(yàn)的同時，也給整個電源行業(yè)的配套器件開發(fā)帶來了新的機(jī)遇，其中適合高頻>200kHz的快充專用驅(qū)動控制器更是如此，因?yàn)槌嗣郎坍a(chǎn)品之外幾乎別無選擇。 基于此，必易微于2020年底發(fā)布了針對氮化鎵高頻應(yīng)用的快充SSR驅(qū)動控制器KP2202SSGA和KP2206SSGA，為可支持高達(dá)500kHz的單管反激氮化鎵快充驅(qū)動控制器，通過近期的客戶推廣以及與國內(nèi)外同類型產(chǎn)品的對比，必易微產(chǎn)品的特點(diǎn)以及優(yōu)點(diǎn)更加清晰，筆者特總結(jié)于此分享給關(guān)注必易微的朋友，希望對大家的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有所幫助，同時展示一款高頻>200kHz的高功率密度單管反激電源參考設(shè)計(jì)，讓大家更直觀地了解其產(chǎn)品的綜合性能。 由于KP2202SSGA和KP2206SSGA是為解決美商產(chǎn)品“卡脖子”的問題而開發(fā)的，有必要先來總結(jié)下美商產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)，以便大家理解必易微開發(fā)產(chǎn)品的思路。 關(guān)于美商產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)： 1、可以支持高達(dá)500kHz的開關(guān)頻率 相比于coolmosfet，氮化鎵真正的優(yōu)勢在于高頻特性，當(dāng)下快充電源的開關(guān)頻率還集中在200kHz以下，若要進(jìn)一步提高功率密度體現(xiàn)產(chǎn)品差異，一顆可支持高頻應(yīng)用（>200kHz）的驅(qū)動控制器成為必須。 2、集成了高壓啟動電路、X電容放電和輸入欠壓保護(hù) 低待機(jī)在高端的快充電源中始終是一項(xiàng)重要指標(biāo)，特別是在多口應(yīng)用系統(tǒng)電路較為復(fù)雜的情況下，高壓啟動電路不僅可以實(shí)現(xiàn)即插即用，還可以通過X電容放電節(jié)省約20mW損耗，再輔以輸入欠壓保護(hù)功能，就可以設(shè)計(jì)出一款高品質(zhì)快充電源。 3、具備谷底鎖定功能、工作無噪音 準(zhǔn)諧振控制的目的在于降低開關(guān)損耗提高效率，這一點(diǎn)在高頻應(yīng)用中尤為重要，但行業(yè)中普通的準(zhǔn)諧振控制會由于開通谷底不同引入噪音問題、高低壓頻率不同引入過流點(diǎn)精度差問題以及開關(guān)頻率集中引入傳導(dǎo)EMC差的問題。后兩個問題通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以優(yōu)化和解決，但噪音問題優(yōu)化相對困難且容易被用戶發(fā)覺，所以通過芯片控制策略進(jìn)行優(yōu)化最為合理。 4、輕載效率優(yōu)化、待機(jī)可低于30mW 同2點(diǎn)，為了降低空載待機(jī)功耗，需對芯片的環(huán)路控制參數(shù)以及靜態(tài)電流進(jìn)行深度優(yōu)化，低于30mW對于一款快充應(yīng)用的驅(qū)動控制器已屬于較高水平的表現(xiàn)。 關(guān)于美商產(chǎn)品的缺點(diǎn)： 1、芯片VDD耐壓30V，最高可工作至28V 快充電源區(qū)別與普通適配器最大的地方即是輸出電壓范圍寬，根據(jù)PD3.0及PPS的規(guī)范要求，輸出電壓范圍最寬為3.3-21V，故在使用美商產(chǎn)品的時候就必須使用上圖的外部LDO電路，器件數(shù)量多達(dá)13個，PCB空間大、系統(tǒng)成本高。 2、過流保護(hù)精度不佳，外部補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)復(fù)雜 按照非連續(xù)模式下的能量公式： 可知，準(zhǔn)諧振控制的電源工作在相同功率狀態(tài)時呈現(xiàn)出低壓輸入時峰值電流高、頻率低的特點(diǎn)（高壓輸入時特點(diǎn)與此相反），為了實(shí)現(xiàn)不同輸入電壓下系統(tǒng)最大輸出功率相同的目的，美商產(chǎn)品采用了外部ZCD管腳的電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)最大峰值電流的方法，此方法的缺點(diǎn)是補(bǔ)償量是線性變化的，但從能量公式可見峰值電流是指數(shù)變化，故此方法不能得到理想的結(jié)果，且美商產(chǎn)品還需要在ZCD管腳的電阻網(wǎng)絡(luò)中加入一個二極管，電路結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜的同時還沒有輸出OVP功能。 下面是在某款量產(chǎn)的電源中測得的美商產(chǎn)品過流點(diǎn)數(shù)據(jù)，高低壓最大過載點(diǎn)相差45%！這款電源的最高開關(guān)頻率還低于200kHz，如果開關(guān)頻率再提高，其高低壓下的差別會繼續(xù)變大。 3、驅(qū)動電路無法驅(qū)動E-Mode氮化鎵，只能匹配Coolmosfet和cascode結(jié)構(gòu)D-Mode氮化鎵。 增強(qiáng)型E-mode氮化鎵由于具備器件結(jié)構(gòu)簡單、更利于高頻應(yīng)用的特點(diǎn)，目前被多數(shù)器件廠商所采用，但這種器件的柵極電壓最高只有7V，在高頻應(yīng)用中這對驅(qū)動電路的要求變高。目前美商產(chǎn)品驅(qū)動電壓最高12V在應(yīng)用時需外加驅(qū)動線路如上圖，器件多成本增加且PCB空間大。 4、抖頻幅值固定，輸出紋波表現(xiàn)不理想 為了優(yōu)化準(zhǔn)諧振控制下的傳導(dǎo)EMC，美商產(chǎn)品采用了以固定頻率和固定幅值抖動峰值電流的方法，這樣可使得開關(guān)頻率被分散開以便于通過傳導(dǎo)測試，但是在低壓輸入時由于峰值電流抖動疊加工頻波動，引起輸出電壓紋波偏大，下圖仍為上款量產(chǎn)電源中滿載時輸出電壓紋波結(jié)果：   美商產(chǎn)品樣機(jī)90Vac 20V輸出滿載紋波 同時，在輕載時由于固定的峰值電流抖動幅值，同樣會引起輸出電壓紋波偏大，下圖為對比專用樣機(jī)，完全相同參數(shù)和測試條件時輸出電壓紋波結(jié)果。美商產(chǎn)品抖頻占比較大，KP2202抖頻占比較小，紋波優(yōu)化達(dá)21mV。

美商產(chǎn)品紋波

KP2202紋波

總結(jié)完美商產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)之后，可以用下表來展示下KP2202SSGA和KP2206SSGA與之對比情況： 下圖為KP2202SSGA和KP2206SSGA的典型應(yīng)用電路，副邊搭配的高頻率同步整流驅(qū)動芯片KP4060為針對高頻應(yīng)用專門設(shè)計(jì)，最高支持高達(dá)600kHz的開關(guān)頻率。 目前必易微已開發(fā)了多款65W高頻氮化鎵快充參考設(shè)計(jì)，通過了EMC、浪涌、ESD和紋波多項(xiàng)指標(biāo)測試，效率和待機(jī)也處于行業(yè)較高水平，今天展示其中一款搭配納微半導(dǎo)體氮化鎵器件的小體積65W參考設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)采用了平面變壓器，下面是性能細(xì)節(jié)展示： 樣機(jī)照片：體積與行業(yè)中的20W快充電源非常接近

必易微65W氮化鎵方案

必易微常規(guī)20W方案

工作波形：穩(wěn)定的谷底導(dǎo)通最高頻率290KHz

230Vac 20V3A

230Vac 20V1.8A

待機(jī)測試：優(yōu)異的待機(jī)性能<30mW 效率測試：優(yōu)異的效率表現(xiàn)，滿載效率115Vac 45W輸出接近95%，115Vac65W輸出達(dá)到94.5%，230Vac 65W輸出達(dá)到94.3%。 溫升測試：密閉環(huán)境箱25℃裸板測試 110Vac 65W 氮化鎵器件溫度最高92℃ ?230Vac 65W 氮化鎵器件溫度最高104℃。 輸出過流點(diǎn)測試：最大功率高低壓輸入過流點(diǎn)一致性好，相差13% 輸出電壓紋波：抖頻優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的紋波性能<120mV 傳導(dǎo)測試：通過且裕量較大滿足量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

220Vac(L)-20V/3.25A（左）

220Vac(N)-20V/3.25A（右）

110Vac(L)-20V/3.25A（左）

110Vac(N)-20V/3.25A（右）

通過詳細(xì)對比美商的產(chǎn)品性能，可以發(fā)現(xiàn)KP2202SSGA和KP2206SSGA作為支持高達(dá)500kHz的單管反激氮化鎵快充驅(qū)動控制器，不僅實(shí)現(xiàn)了競品的現(xiàn)有性能還針對其不足之處做了性能升級，真正解決了卡脖子的問題！