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>產(chǎn)品新聞>泰高技術(shù)推出210W氮化鎵電源方案，內(nèi)置TP44200合封氮化鎵器件
2022-03-12
說起氮化鎵功率器件，主流的解決方式就是單管和合封，氮化鎵單管搭配專門優(yōu)化的控制器，在反激架構(gòu)的快充中得到了廣泛的應(yīng)用。但在大功率的電源中，通常使用較高頻率來縮小變壓器的體積，相應(yīng)的，合封氮化鎵功率芯片由于內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器，在高頻下應(yīng)用簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，也常被大部分的高頻開關(guān)電源中使用。
泰高技術(shù)是世界上第一家同時(shí)具備氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC） 及砷化鎵(GaAs) 芯片工藝技術(shù)創(chuàng)新解決方案的公司，泰高技術(shù)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)源于國(guó)際整流器公司（IR)，早在 2010 年就承繼 IR 處于國(guó)際領(lǐng)先的氮化鎵成果持續(xù)研制并銷售先進(jìn)氮化鎵芯片。
泰高技術(shù)擁有十余年氮化鎵芯片研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，所研發(fā)的氮化鎵芯片已經(jīng)被超過60家歐美國(guó)際大公司廣泛采用。泰高技術(shù)的全球設(shè)計(jì)中心位于美國(guó)芝加哥（Chicago），以及印度加爾各答（Kolkata）擁有研發(fā)設(shè)計(jì)分部，全球研發(fā)人員超過 50 位，其中超過80%的研發(fā)都具有擁有博士學(xué)位。
泰高技術(shù)針對(duì)百瓦級(jí)電源市場(chǎng)推出了210W氮化鎵電源模組方案，其基于PFC+LLC電路拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計(jì)，采用了泰高四顆TP44200NM氮化鎵器件，整個(gè)DEMO三維僅70*46*31.5mm，功率密度高達(dá)2.07W/cm3，實(shí)現(xiàn)了高效率、高功率密度、低溫度的良好應(yīng)用。
下面就隨充電頭網(wǎng)一起來看看泰高技術(shù)這套電源解決方案具體如何設(shè)計(jì)，以及測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)如何。
一、泰高技術(shù)210W氮化鎵電源方案外觀
泰高技術(shù)210W氮化鎵快充方案采用PFC+LLC架構(gòu)，固定電壓輸出，適用于筆記本電腦供電、工業(yè)電源、差旅排插等用途，還可搭配二次降壓用于多口PD3.1 / PD3.0 快充充電器。
電源模塊采用四塊PCB板組合的焊接方式，對(duì)角兩塊小板連接支撐上下兩塊大板。
使用游標(biāo)卡尺測(cè)得模塊長(zhǎng)度為70.05mm。
寬度為45.94mm。
厚度為31.51mm。通過三維算得模塊體積約為101.4cm3，功率密度為2.07W/cm3。
模塊拿在手上的大小直觀感受。
另外測(cè)得重量約為156g。
二、泰高技術(shù)210W氮化鎵電源方案解析
輸入端小板一覽，右側(cè)焊接EMI濾波電路的器件，左側(cè)設(shè)有同步整流電路以及固態(tài)濾波電容。
延時(shí)保險(xiǎn)絲5A 250V。
10D561K壓敏電阻。
共模電感雙線繞制，濾除EMI干擾。
安規(guī)X電容容量0.68μF。
另一顆共模電感特寫。
模塊一端可以看到紅色薄膜濾波電容、PFC升壓電感，PFC升壓電感上貼有兩塊導(dǎo)熱墊，導(dǎo)熱墊右側(cè)是整流橋。
整流橋采用沃爾德WRLSB80M，使用兩顆均攤溫升。這顆軟橋通過較軟的恢復(fù)曲線，比較平滑的關(guān)斷特性，可以降低二極管結(jié)電容達(dá)到非常少的諧波振蕩產(chǎn)生的效果。選用的LSB封裝，擁有良好的散熱特性，幫助中大瓦數(shù)適配器提升可靠性，單顆可做60W+。
另一塊板子左右兩側(cè)分別設(shè)有PFC升壓電路和LLC開關(guān)電源初級(jí)側(cè)相關(guān)控制器和合封氮化鎵芯片。
PFC升壓控制器采用TI德州儀器UCC28056，具有超低空載損耗，在負(fù)載范圍內(nèi)提供出色的效率，符合IEC61000-3-2電流諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求。
PFC升壓開關(guān)管采用兩顆泰高技術(shù)TP4420DNM去均攤溫升。泰高技術(shù)的氮化鎵功率芯片TP44200NM，作為一款額定電壓650V的大功率Superior GaN功率芯片，能滿足中功率移動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)類電力電子市場(chǎng)的需求，加速淘汰低速開關(guān)頻率的傳統(tǒng)硅芯片，搶占中功率充電市場(chǎng)。
這款180mΩ TP44200NM采用5*7mm小型PQFN封裝，擁有專利的集成散熱技術(shù)，適用于高效率，高功率密度的電源系統(tǒng)，其產(chǎn)品的電流承載能力提高了50％。
Superior GaN功率芯片集成了GaN Mosfet與GaN驅(qū)動(dòng)器與保護(hù)控制功能，實(shí)現(xiàn)了使用簡(jiǎn)單，體積小，速度快，較高功率的性能。TP44200NM 與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的解決方案不同，不需要額外設(shè)計(jì)9V~30V電源單獨(dú)給GaN Mosfet內(nèi)部的GaN驅(qū)動(dòng)器供電，這樣就能替工程師省去麻煩。
泰科天潤(rùn)G5S6506Z 650V/6A碳化硅肖特基功率二極管，DFN5*6封裝，最高工作溫度175℃，用于PFC升壓整流。
LLC控制器采用TI德州儀器UCC256404，是一顆具有超低功耗、超靜音待機(jī)運(yùn)行和高電壓?jiǎn)?dòng)功能的LLC諧振控制器，專門設(shè)計(jì)用于與PFC控制器配對(duì)使用，以使用最少的外部組件提供完整的電源系統(tǒng)。
針對(duì)LLC架構(gòu)的設(shè)計(jì)，LLC半橋開關(guān)管也是采用兩顆泰高TP44200NM氮化鎵器件，TP44200NM也不需要像競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手需要額外增加GaN Mosfet半橋驅(qū)動(dòng)芯片去配合。TP44200NM的創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)主控芯片限制就大大減低，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于工程師大大降低的設(shè)計(jì)困難，以提高產(chǎn)品可靠性。
貼片Y電容來自特銳祥，型號(hào)TMY1222M，具有體積小、重量輕等特色，非常適合應(yīng)用于氮化鎵快充這類高密度電源產(chǎn)品中。
同步整流控制器采用安森美NCP4306，支持CCM、DCM和QR工作模式，適用于反激或LLC應(yīng)用。
四顆同步整流管均采用維安040N08HS，DFN5*6貼片封裝。
兩顆25V 680μF固態(tài)電容，用于同步整流輸出濾波。
模塊一側(cè)中間設(shè)有高壓濾波電解電容，對(duì)應(yīng)板子區(qū)域鏤空以降低模塊厚度，左側(cè)連接小板套有絕緣管。
高壓濾波電解電容為ketucon品牌，包裹高溫膠帶絕緣，規(guī)格為420V 120μF。
另一端設(shè)有諧振電容和諧振電感。
諧振電容來自JURCC捷威電子，333J1KVDC。
另一側(cè)則設(shè)有供電電容和變壓器，變壓器上也貼有導(dǎo)熱墊。
PWM主控芯片供電電容規(guī)格為25V 220μF。
三、泰高技術(shù)210W氮化鎵電源方案部分測(cè)試數(shù)據(jù)
泰高技術(shù)210W氮化鎵電源模塊能夠滿載工作在 90V-264V 范圍的工作條件下，板上輸出空載電壓范圍為 21.21-21.23V，輸出負(fù)載電壓范圍為 21.20-21.21V，輸出電壓隨負(fù)載變化輕微，有良好的電壓調(diào)整率。
210W氮化鎵電源模塊可透過反饋電阻的修改，最大能輸出29V電壓，還可搭配二次降壓用于多口PD3.1 快充充電器。
在輸入電壓為110Vac環(huán)境下滿載輸出，測(cè)得紋波噪聲為180mV。
在輸入電壓為220Vac環(huán)境下滿載輸出，測(cè)得紋波噪聲為196mV，占比0.93%具有良好的指標(biāo)。
小結(jié)：1、在 90Vac輸入電壓范圍內(nèi)，滿負(fù)載輸出效率于 93.4%；其中 220Vac 輸入，滿負(fù)載輸出效率為 95.6%。2、最大待機(jī)功耗低于 150mW，符合能效六級(jí)的應(yīng)用要求。
測(cè)試條件：不同電壓輸入，滿載輸出，室內(nèi)環(huán)境 15℃測(cè)試，老化 60 分鐘。
小結(jié)：
1、泰高技術(shù)210W氮化鎵快充模塊在 90V 輸入環(huán)境下，滿載輸出條件下 60 分鐘，PFC 驅(qū)動(dòng)氮化鎵 TP44200NM 溫度為 83.1℃；LLC 驅(qū)動(dòng)氮化鎵 TP44200NM 溫度 93℃；LLC 變壓器溫度為 80.1℃；輸出同步整流管溫度為 82.7℃。
2、在 220V 輸入環(huán)境下，滿載輸出條件下 60 分鐘，PFC 驅(qū)動(dòng)氮化鎵 TP44200NM 溫度為 80.6℃；LLC 驅(qū)動(dòng)氮化鎵 TP44200NM 溫度 89.3℃；LLC 變壓器溫度為 97.4℃；輸出同步整流管溫度為 75.7℃。
對(duì)于從事電力電子設(shè)計(jì)的工程師而言，TP44200NM Superior GaN氮化鎵功率芯片為100W-240W應(yīng)用提供了更佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，如電腦一體機(jī)，電視，游戲機(jī)，電動(dòng)滑板車，電動(dòng)自行車等電動(dòng)交通工具的充電器，游戲筆記本電腦等其他設(shè)備的充電器等。TP44200NM現(xiàn)已大批量生產(chǎn)，可立即從泰高技術(shù)的經(jīng)銷合作伙伴處訂購(gòu)。
泰高技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)寬禁帶技術(shù)的顛覆性解決方案，擁有眾多創(chuàng)新專利技術(shù)、芯片 IP 以及自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的測(cè)試設(shè)備，能顯著降低客戶端系統(tǒng)級(jí)解決方案的復(fù)雜性、 體積、重量和功耗等相關(guān)問題。
由于中美貿(mào)易持續(xù)摩擦并無法短期獲得解決， 芯片的國(guó)產(chǎn)平替被提到了國(guó)家戰(zhàn)略的高度，泰高技術(shù)做為一家國(guó)產(chǎn)氮化鎵功率器件公司，致力于共同推動(dòng)國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展；加速于國(guó)產(chǎn)功率芯片平替海外功率芯片布局。泰高技術(shù)的氮化鎵電源解決方案的器件選型已承諾客戶往100%國(guó)產(chǎn)優(yōu)化；避免客戶購(gòu)買非國(guó)產(chǎn)芯片而發(fā)生數(shù)量短缺、價(jià)格上漲甚至市場(chǎng)崩潰的情況。
“泰高, 讓設(shè)計(jì)變簡(jiǎn)單“是泰高技術(shù)的理想，我們致力于通過精巧的布局，使得工程師更加便捷設(shè)計(jì)，讓產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用且可靠，并且我們的 Superior GaN 技術(shù)為更高效、更小、更可靠的全新解決方案帶來更多可能。
充電頭網(wǎng)總結(jié)
傳統(tǒng)百瓦級(jí)電源體積大、笨重，不僅占空間，外帶更是折磨人。泰高技術(shù)這套基于自家四顆TP44200NM Superior GaN功率芯片設(shè)計(jì)的電源方案，充分發(fā)揮了氮化鎵的優(yōu)點(diǎn)，將輸出功率做到210W的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了模塊的小型化，兼具小巧與高功率，完美解決傳統(tǒng)百瓦級(jí)電源大而重兩大痛點(diǎn)。
泰高技術(shù)的 210W 氮化鎵電源模塊參考設(shè)計(jì)，使用的是PFC+LLC 的高效架構(gòu)，控制器采用的是知名大廠 TI 德州儀器的UCC28056及UCC256404，搭配泰高TP44200NM氮化鎵器件，可以獲得高轉(zhuǎn)換效率(95%@110Vac & 95.6% @220Vac，滿負(fù)載狀態(tài)），能降低電源產(chǎn)品的散熱需求而減輕產(chǎn)品重量。泰高技術(shù)的營(yíng)運(yùn)官說明在3月底前會(huì)推出100W/150W/240W的多口充電器解決方案，屆時(shí)這些方案已聯(lián)合其他國(guó)產(chǎn)品牌芯片共同推出。
此外不局限于百瓦級(jí)直流電源輸出，這款電源參考設(shè)計(jì)還可根據(jù)客戶需求，在輸出端靈活設(shè)計(jì)二次降壓電路，實(shí)現(xiàn)多種接口以及不同電壓輸出支持，滿足靈活/可靠性/個(gè)性化需求。