开关电源的高频高效发展方向与东科合封创芯主流技术

11月23日，2022（冬季）USB PD&Type-C 亚洲大会改为线上直播形式，此次大会邀请到了数位 USB PD 快充行业的技术专家和 USB PD 快充资深从业人员，分别来自茂睿芯、晶丰明源、宝砾微、华源、力林、钰泰、东科，他们将为大家分享最新的快充技术干货，帮助电源企业抓住新的市场增长点，加快新品上市，抢占市场先机。

东科半导体股份有限公司 FAE工程师李朝亮先生发表了《开关电源的高频高效发展与东科合封创芯主流技术》主题演讲，主要介绍开关电源的技术发展和东科合封开关电源解决方案。

东科的演讲分为三个部分，首先是开关电源的发展方向，然后是东科一站式开关电源解决方案，最后是东科GaN实战案例应用，开关电源参考设计性能展示。

首先介绍的是开关电源的发展方向。

早期的工频变压器功率密度很低，效率也很低，伴随着开关电源技术的不断进步，开关电源的工作频率不断提高，体积越来越小，功率密度和效率均大幅提升。

想要提升充电器的功率密度，首先可以从提高工作频率开始，通过减小变压器的体积，是增加充电器功率密度最有效的途径。减小变压器的体积，又要保证足够的输出功率，就要提升工作频率。

从左边的图片可以看出，通过开关频率的提升，变压器的体积得到不断减小。并且由传统绕线变压器向平面变压器发展。

但是开关频率提升，对电源也带来了显著的影响。内部走线的寄生电感，在开关频率较低的时候影响还不是很明显，但随着频率提升，提升了设计难度。外驱方式的寄生电感是不能忽略的，对于信号的失真度以及振铃可靠性都有影响，增加了开关损耗，并且降低了电源方案的可靠性。

东科通过将驱动芯片和氮化镓芯片合封在一个芯片内部，减小了寄生电感对性能的影响。通过东科合封氮化镓的实物图，通过合封的设计，降低了开关振铃，提升可靠性，也简化了设计和调试难度。

另外就是使用平面变压器取代绕线变压器，对于超薄的场合，传统的绕线变压器已经不能满足需求。平面变压器具有批量一致性性能好，可以做到超薄的结构体积，绕组便于交错，寄生漏感非常低，匝数少，热传导快以及参数性能稳定的优势。

下面是平面变压器与绕线变压器的对比，使用ATQ23磁芯，65W输出，平面变压器的体积相比绕线变压器的体积可以缩小30%。在相同磁芯规格和材质的情况下，感量相同均为240μH，平面变压器的漏感为3.1μH，为变压器的感量的1.3%，而绕线变压器的漏感达到了5.8μH，为变压器感量的2.4%。同时平面变压器还更加适合自动化生产，一致性参数优于绕线变压器。

开关电源还有一个发展方向，就是将各个功能电路模块化，可以将AC输入整流滤波，驱动控制，变压器，次级同步整流滤波和输出控制进行模块化的设计，组成完整的模块化电源设计，更加灵活，开发成本也更低。

接下来是东科一站式电源解决方案。

首先来看东科的氮化镓产品系列，东科氮化镓产品为QR架构，内部集成高压启动电路和驱动电路，合封GaN功率管，支持X电容放电功能，具备全面的保护功能，并具有高低压功率补偿功能。具有QFN5*6和QFN8*8封装，覆盖12-140W应用，并具有ACF架构，支持180-200W输出功率，适宜高功率密度电源应用。

东科氮化镓合封芯片选型表，DK012G是一颗12-15W功率的合封芯片，DK020G支持20-24W功率，DK025G支持25-30W功率，DK036G支持30-40W功率，DK045G支持40-50W功率，DK065G支持50-68W功率，工作频率为250KHz以下。DK065GA为ACF有源钳位架构，支持60W以上功率，工作频率为500KHz以下。

东科的合封氮化镓芯片内部集成高压启动和X电容放电，内部集成GaN功率管和驱动，并支持宽VCC供电，支持变压器退磁检测，外围应用电路简单。相比传统QR和ACF方案，东科合封方案元器件数量大幅减小，成本大幅下降。

下面是东科的合封同步整流方案。东科的合封同步整流芯片有五种封装形式，分为SM-7封装，SM-10封装，TO-220F封装，SOP-8封装和TO252封装。芯片内部集成逻辑控制，同步整流管，驱动器和自供电单元，无需外置元件，可以直接替代肖特基二极管和同步整流控制器方案。

TO220封装具备绝缘封装和铁封两种，最高工作频率可达500KHz，支持CCM/QR/DCM工作模式，关断延时12nS，提升同步整流的安全性。

东科同步整流芯片耐压分别为45，60，85，100，120，150V，满足不同输出电压的电源应用，内阻最低为3mΩ，根据型号即可方便的识别器件耐压和导阻。对于PD快充应用，20W推荐60V耐压，10mΩ导阻的SM-7封装器件，对于30W推荐使用100V耐压，10-15mΩ的贴片器件，对于更高输出可以使用120V或者150V的同步整流器件。