前言

随着USB PD3.1协议的推出，将充电器的输出功率自20V5A到对应的28V、36V和48V，电流不变仍为5A，输出功率同步提升到240W，从而大幅扩展了充电器的使用范围，满足更大功率快充的需要。

此次英诺赛科针对市场需求推出了一款高效、高功率密度240W氮化镓应用方案。

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这款参考设计采用BTPPFC+LLC架构，方案中PFC采用无桥图腾柱PFC拓扑，该拓扑消除了传统PFC电路输入端存在的二极管整流桥，从而大幅提高了效率和功率密度。PFC开关管采用GaN，可以实现更高的开关频率，进一步提供功率密度。LLC采用高频方案，最高频率400kHz，搭配控制器较小的死区时间，可缩小磁件体积、减小线包直流损耗，有效提升效率和功率密度。

  • 拓扑 CRM Totem Pole PFC + LLC
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图1 240W拓扑结构图

  • 关键器件 Featured Innoscience Products:
  • S1/S2/S3/S4 : INN650D080B, 650V/80mΩ, DFN 8x8mm
  • S5/S6 : INN650DA260A, 650V/260mΩ, DFN 5x6mm
  • S7/S8: INN150LA070A , 150V/7mΩ, LGA 2.2x3.2mm
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  • 主要规格参数

规格参数见表1，PFC开关频率最大200KHz，LLC开关频率最大400KHz，峰值效率高达97%。

表1：电特性（Ta=25℃）

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主要特征优势丨Features and Advantages

  • 高频：350~400kHz (VS Si MOS solution：65kHz-150kHz)
  • 高效率：97% (230Vac)，95.2% (90Vac) VS Si MOS solution：效率提高2%
  • 小尺寸：85.5*58*20.5mm（PCBA）
  • 高功率密度：38.7W/in3（PCBA）VS Si MOS solution：体积减小70%
  • 短路保护
  • 过热关断保护 OTP
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该方案的PCBA由EMI滤波板+主板+半桥功率板组成，布局简洁、紧凑。

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  • 应用场合丨Application
    • PD快充
    • PC一体机电源
    • 游戏机电源
    • 电动工具
    • LED显示
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BTPPFC（Bridgeless Totem Pole PFC）

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PFC升压开关管采用两颗英诺赛科INN650D080B氮化镓开关管搭配驱动器组成快速半桥，这是一颗耐压650V，瞬态耐压800V的增强型氮化镓开关管，导阻为80mΩ。支持超高开关频率，无反向恢复电荷，具有极低的栅极电荷和输出电荷，符合JEDEC标准的工业应用要求，内置ESD保护，符合RoHS、无铅、欧盟REACH法规。

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如表1所示，同等RDS(ON)情况下，氮化镓的寄生电容更小，Ciss和Crss分别是Si CoolMOS的1/12和1/23，从而具有更快的开关速度，在BTPPFC快桥臂中，电流和电压交叠时间减小88%以上（见图2），米勒平台时间几乎为零（见图3），总的开关损耗至少减小70%。

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表1：Ciss/Crss Comparison (InnoGaN vs Si CoolMOS)

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图2 switching speed is more than 8x faster than silicon FET

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图3  Miller Platform Comparison

InnoGaN的Coss更小且线性度更好（见图4），在Vds低的时候GaN的Coss远远小于Si MOS，且Si会有一个斜率突变的过程。从系统波形可以看到，GaN的开关交叠损耗远小于Si MOS，t2-t3段GaN的Dv/dt比Si MOS更小，所以产生的EMI噪声也更小。

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图4  Coss Curve Comparison

高频高效LLC

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LLC半桥的两颗氮化镓开关管采用英诺赛科INN650DA260A，这是一颗高性价比、耐压650V的氮化镓高压单管，瞬态耐压800V，最大导阻260mΩ，DFN5×6封装。得益于工艺改进，相比英诺赛科第一代氮化镓器件，性能有明显的提升，适用于65-120W的反激架构，120-300W的LLC架构。

INN650DA260A支持超高开关频率，无反向恢复电荷，具有极低的栅极电荷和输出电荷，符合JEDEC标准的工业应用要求，内置ESD保护，符合RoHS、无铅、欧盟REACH法规。

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充电头网拆解了解到，英诺赛科氮化镓功率开关管还有INN650DA02、INN650DA04等型号，并被SPRUCE 140W 3C1A无线充二合一充电座、安述240W氮化镓+碳化硅适配器、QCY 65W 2C1A氮化镓快充、联想小新100W双C口氮化镓快充、努比亚120W 2C1A三口氮化镓快充、红魔手机6 Pro标配120W PD氮化镓快充、REMAX 100W氮化镓充电器、摩米士100W 2A2C氮化镓快充、魅族65W氮化镓充电器等多款产品采用，芯片质量获得市场认可。

氮化镓具有更快的开关速度，Co(tr)是Si的1/8（如表2），由t_deadmin  ∝ Co(tr)*Lm*fs，可减小死区时间约75%，降低谐振腔电流有效值，有效降低LLC的环流损耗，提升效率。同时有利于提升频率，减小磁件的体积，提高功率密度。

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表2：Co(tr)/Qg Comparison (InnoGaN vs Si CoolMOS)

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图5 系统LLC波形

整机性能

  • 效率

得益于新拓扑以及高性能的氮化镓应用，在90Vac~264Vac全电压范围，输出满载工况下，最高效率达到97%，平均效率最高达96.5%。BTPPFC慢桥臂采样Rdson更小的功率管，效率可进一步提升。

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图6 整机效率曲线

  • 热测试

据英诺赛科对整机的温升测试，在环温25℃、无主动散热措施、输入90Vac、输出48V/5A工况下老化，PFC GaN管温度114℃，LLC GaN管温度84.7℃。同步整流管的温度分别为83.4℃。在氮化镓的加持下，整机效率高，器件温升低，系统温升易处理。

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图7 温度分布

  • EMC特性

整机传导测试，裕量达到6dB以上。

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图8 CE测试结果

充电头网总结

英诺赛科推出的240W氮化镓快充电源为48V/5A输出，满足USB PD3.1的240W功率上限，电源内置了四颗英诺赛科最新推出的INN650D80B超低导阻氮化镓开关管，搭配无桥图腾柱PFC控制器和两颗驱动器，组成两个半桥，分别用于升压及整流。氮化镓更快的开关速度有效降低开关损耗，同时利用拓扑优势消除了升压PFC电路中整流桥的功率损耗。

LLC部分采用高频方案，利用氮化镓快速开关优势，缩小死区时间，提升效率并提高开关频率。输出同步整流使用两颗英诺赛科低压氮化镓开关管，减小高频下驱动IC的损耗，减小驱动IC过热的风险，同时更快的开关速度可配合原边侧减小死区时间，提高整机效率。电源采用小板组合焊接的方式，提升空间利用率，发热器件分别焊接在不同的小板上，均摊发热，能够降低局部温升，简化散热设计。

英诺赛科将参加充电头网举办的亚洲充电展，展位号位于C62-C65，届时包括这一套方案在内的多套氮化镓电源方案实物将会一起展示，感兴趣的欢迎前往了解，与英诺赛科的工作人员进行深入交流。