内置TP44100SG合封氮化镓开关管，泰高技术推出市面首款240W氮化镓USBPD31多口快充电源参靠考设计

前言

泰高技术在四月推出了一款采用分立器件的PFC+LLC拓扑的210W氮化镓电源模组方案。这电源模组方案已在知名线上媒体网站获得上万播放量。网友们评论激烈。这类小巧高效的电源产品对市场有一定的吸引力。 210W的氮化镓电源模组方案。一共使用四颗泰高技术第一代的 TP44200NM 合封氮化镓开关管。分别在PFC和LLC上。两颗用于PFC升压。两颗组成LLC半桥。能够显著减小了大功率电源体积。

泰高技术最新推出了一款240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案。采用可编程数字电源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓扑。同时运用4颗泰高技术第二代的 TP44100SG 合封氮化镓开关管。实现“更高效率。更大功率。更小体积。更低发热。”

240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案采用了新一代氮化镓方案。PCBA 三围尺寸为75.8*59.4*29.6mm³。大小与苹果61W单口充电器相比小了20%体积。按照额定输出功率240W计算。其功率密度高达1.8W/cm³；泰高技术实现了国内首家针对240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案中功率密度超过1.75W/cm³的参考设计。

泰高技术这款240W氮化镓电源参考设计使用可编程数字电源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓扑。输出恒压为29.5V。搭配二次降压电路。使得氮化镓充电器拥有 2C1A 共三个输出口的配置。其中USB-C1支持140W输出。USB-C2支持100W输出。USB-A口支持30W输出。三口支持同时快充输出。性能强劲。USB-C1是基于USB PD 3.1新标准开发。支持 28V5A 140W大功率输出。适配Macbook Pro 2021满血快充。向下兼容USB PD 3.0。还支持市面各种常见的快充协议。不管是未来新快充标准设备。还是主流设备都能通吃。并照顾多设备充电需求。

充电头网已经拿到泰高技术这款240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案参考设计。下面就带来这款电源设计以及测试解析。

泰高技术240W 氮化镓USB PD3.1多口快充电源方案参考设计外观

泰高技术240W的氮化镓USB PD3.1 多口快充电源方案参考设计采用可编程数字电源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓扑。固定电压输出。搭配三路独立的同步降压电路。满足USB PD3.1 140W+USB PD3.0 100W同时输出。

这款电源模块主要由两块较大的PCB组成。其中上层PCB为同步整流输出和同步降压部分。下层PCB为PFC+LLC的初级电源部分。初级电源的零件布局是由于采用可编程数字电源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓扑与泰高技术第二代的 TP44100SG 合封氮化镓开关管。就显得更加紧凑与简单。

电源背面是四颗泰高技术第二代的 TP44100SG 合封氮化镓开关管。碳化硅二极管和一颗二合一控制器。

两块板子之间紧密的排列着PFC升压电感、LLC变压器、滤波电容等体积较大的插件物料。除了背面的氮化镓器件外。其余发热较高的器件都放在中间。散热体验更好。

三个接口的小板焊接在上层PCB上。同时在下层PCB上增加焊点为固定作用。

侧面一览。左侧排针连接光耦用于输出电压反馈。右侧USB-A小板焊接降压电路。

左侧是输入滤波器件。绿色电容为LLC谐振电容。电容后面是谐振电感。右侧为LLC变压器。初级焊接在下层PCB上。次级直接焊接到上层PCB上进行同步整流。

输入滤波和整流电路一览。

使用游标卡尺测得PCB模块长度为75.8mm。

宽度为59.4mm。

测得厚度为29.6mm。

测得参考设计重量约为181克。

泰高技术240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源参考设计解析

首先从输入端开始。逐一介绍这款电源的用料和设计。

电源输入端延时保险丝规格为5A 250V。

输入端黑色NTC热敏电阻。用于上电浪涌电流抑制。

10D561K压敏电阻。用于输入过压保护。

第一级共模电感。采用多层绝缘线绕制。绿色磁环。左侧是黄色X电容。

最左侧是整流输出的滤波薄膜电容。中间是整流桥。右侧是第二颗共模电感。外套热缩管绝缘。

两颗红色薄膜电容之间是滤波电感。外套热缩管包裹绝缘。为PFC输入滤波。

泰高技术 240W氮化镓快充参考设计使用NXP恩智浦 可编程数字电源芯片 TEA2016AAT 二合一控制器用于PFC和LLC控制。芯片内部集成高压启动和X电容放电。集成PFC控制器、LLC控制器以及对应的驱动器。PFC支持DCM和QR运行模式。

TEA2016AAT内置数字架构。基于高速的数字内核控制器。PFC和LLC运行参数和保护参数可设置。为高度可靠的实时性能提供保障。并且TEA2016AAT具有高转换效率和低待机功耗。

PFC升压开关管使用两颗泰高技术第二代的 TP44100SG 合封氮化镓开关管。泰高技术 TP44100SG 是一颗650V耐压。瞬态耐压750V。90mΩ导阻的增强型合封驱动器氮化镓开关管。支持0V~20V PWM 信号控制。支持传统控制器和氮化镓直驱控制器使用。在这两种情况下都不需要外部供电VCC。归功于 TP44100SG 合封氮化镓开关管不需要VCC供电。应用在PFC＋LCC 或 无桥PFC＋ AHB 等大功率拓扑的设计提供更可靠与更简单的设计。 针对 TP44100SG 合封氮化镓开关管做并联去应用输出电流大于60A的设计。其外围器件简单并且可以实现最多6颗合封氮化镓开关管做并联。

泰高技术TP44100SG支持单管。半桥应用。适用于AC-DC。DC-DC。DC-AC应用。支持标准PFC和图腾柱PFC应用。支持高频LLC应用。支持快充、笔记本电源等充电应用。支持LED照明、电机驱动与服务器电源应用。

泰高技术 TP44100SG 采用QFN5*7mm²封装。具有加强的散热性能。其散热的性能足跟市面上QFN6x8mm² 与 QFN8x8mm² 芯片封装相竞争。封装具有低电感。适合高频高功率密度电源使用。

PFC开关管电流检测电阻。采用2512封装合金电阻。33mΩ。

PFC整流管使用泰科天润 G5S6506Z。是一颗耐压650V。162℃下工作电流6A。最高工作温度175℃的碳化硅二极管。使用DFN5*6封装。其具有零反向恢复特性。相比快恢复二极管更低的正向压降。适合PFC功率因数校正电路使用。

泰科天润 G5S6506Z 详细资料。

PFC电路旁路二极管。丝印US5M。消除上电对PFC电路的冲击。

高压滤波电容使用两颗并联。其中一颗规格为120μF 420V。

另外一颗为33μF 420V。

LLC半桥使用两颗泰高技术 TP44100SG 合封氮化镓开关管组成。TP44100SG 的外围电路简单。应用半桥设计去驱动一颗 TP44100SG 只要2个电阻,1个电容,1个6.2V稳压管等简单零部件组成。最大优化其产品可靠性与设计简单。

泰高技术 TP44100SG 氮化镓开关管特写。

LLC谐振电容特写。来自捷威。MPP92-BOX谐振电容。高频损耗小。噪声小。使用树脂外壳封装。并使用环氧树脂灌封。耐候能力提升。一致性好。电容规格为33nF。1000V耐压。

LLC变压器特写。使用绝缘胶带严密包裹。

介绍完下层PCB功率级器件。下面来到上层PCB板。

贴片Y电容来自特锐祥。型号TMY1222M。具有体积小、重量轻等特色。非常适合应用于氮化镓快充这类高密度电源产品中。

特锐祥专注于被动元器件的研发、生产及销售。注册资本1亿元。旗下有自主电容品牌两类：SMD TRX及DIP TY电容器。TRX将致力于陶瓷材料的研究。以拓展更多品类的应用。为客户提供更多的解决方案。

充电头网了解到。特锐祥贴片Y电容除了被麦多多100W氮化镓、OPPO 65W超级闪充氮化镓充电器、联想90W氮化镓快充、努比亚65W氮化镓充电器、倍思120W氮化镓+碳化硅PD快充充电器等数十款大功率充电器使用外。也可应用于海陆通、第一卫、贝尔金等品牌20W迷你快充上。性能获得客户一致认可。

1019光耦用于输出电压反馈。

同步整流控制器来自NXP恩智浦。TEA1995T。内置两个同步整流驱动器。用于LLC拓扑开关电源同步整流。外围器件精简。待机功耗低。

两颗同步整流管均来自维安。WMB040N08HGS。NMOS。耐压80V。导阻3.2mΩ。采用PDFN5060-8L封装。

另外一颗同步整流管。对应LLC变压器两个次级线圈。

两颗滤波固态电容来自NJcon永立。规格为330μF 35V。

输出的交流电经过整流滤波后为直流电。送入三路独立的降压电路。

其中一路降压电路特写。

同步降压控制器使用英集芯IP6550。英集芯 IP6550 是一款支持 36V 输入的同步降压控制器。内置 NMOS 管驱动。外置两个 MOS 管进行高效同步整流降压。IP6550 通过反馈引脚调节输出电压。开关频率 135KHz。输入端耐压 48V。内置完善的保护功能。

同步降压开关管使用两颗锐骏半导体RUH4040。NMOS。耐压40V。导阻5.5mΩ。采用PDFN3333封装。

磁环降压电感特写。内部打胶固定。

输出滤波固态电容。来自云星。220μF 35V。

78L05三端稳压芯片。用于电路中芯片供电。

另外一路IP6550降压电路。

同样的两颗MOS管用于降压。

磁环降压电感特写。内部打胶固定。

输出滤波固态电容。来自云星。220μF 35V。

用于降压输入滤波的云星固态电容。220μF 35V。

USB-A口使用智融SW3526多协议充电芯片输出。SW3526支持USB-C和USB-A口输出。芯片内部集成3.5A高效率同步降压转换器。支持PPS、PD、QC、AFC、FCP、SCP、PE、SFCP、低压直充等充电协议。支持CC/CV模式。外部仅需少量器件。

对应的降压电感和滤波电容。

USB-C以及USB-A输出接口特写。

泰高技术240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源参考设计部分测试数据

输出电压测试：

泰高技术240W氮化镓快充参考设计能够满载工作在 90Vac-264Vac 范围的工作条件下。板上输出空载电压范围为29.51-29.53Vdc。输出负载电压范围为29.5-29.53Vdc。输出电压随负载变化轻微。有良好的电压调整率。240W氮化镓快充设计搭配三路独立降压电路。实现了140W+100W的PD快充输出。

纹波噪音测试：

110Vac输入电压下。满载测试。测得纹波为246mV。

220Vac输入电压下。满载测试。测得纹波为164mV。

转换效率测试：

在90Vac-264Vac输入电压范围内。 240W氮化镓快充板端平均转换效率大于94.3%；其中220Vac输入。满载输出效率为96.0%。240W氮化镓快充最大待机功耗200mW。符合能效六级的应用要求。

关键元件温度测试：

使用Fluke TI200红外热成像仪对PCB进行测温。环境温度30℃。

240W氮化镓快充在90Vac输入。

充电器

满载输出条件下90分钟。LLC驱动氮化镓 TP44100SG 温度109℃；PFC驱动氮化镓 TP44100SG

充电器

温度为106℃；LLC变压器

充电器

温度为97.℃；输出同步整流管

充电器

温度为103℃。

240W氮化镓快充在220Vac输入。

充电器

满载输出条件下90分钟。LLC驱动氮化镓 TP44100SG 温度85℃；PFC驱动氮化镓 TP44100SG

充电器

温度为108℃；LLC变压器

充电器

温度为103℃；输出同步整流管

充电器

温度为97℃。

接口输出功率测试：

泰高技术240W氮化镓快充输出策略。USB-C1接口支持140W快充。独立固定。不受功率分配影响。USB-C2与USB-A1均独立支持快充。支持功率智能分配。

USB PD3.1快充标准发布数月之久。这期间。泰高技术诞生了首款240W 氮化镓 USB PD3.1快充充电器。加速新标准的商业化应用。也缩短客户领先同行的产品开发时间。

泰高技术的240W氮化镓快充充电器参考设计。通过使用氮化镓开关管配合PFC+LLC的高效架构。能满足客户端小体积而又高效的电源设计。参考设计已经在国家级实验室里已经通过EMI/EMC测试。并且有足够余量。能直接提供PCBA给终端品牌客户生产。以利于品牌客户缩短开发产品周期。

泰高技术目前已推出多款完整的氮化镓快充解决方案。现有包括大功率PD充电器应用的有210W / 240W 。氮化镓插线板应用的有65W 1C+2A / 2C+1A两种设计。未来也会开发300W以上的锂电池充电器与750W 矿机电源与2.5KW 双向OBC户外电源方案等。有需求的伙伴或是客户可以与泰高技术的业务团队联系。获取更多产品详细信息。

邮箱地址：ttsales@tagoretech.com.cn

关于泰高技术

深圳市泰高技术有限公司主要从事基于第三代半导体 硅（Si）基氮化镓 及 碳化硅（SiC）基氮化镓技术的集成电路研发和销售。所研发的氮化镓芯片已经被超过 60 家欧美国际大公司及30家国内大公司的采用。

泰高技术的研发团队源于德国公司英飞凌, 其芯片设计中心位于美国芝加哥（Chicago）。另外在印度设有研发分部。全球研发人员有 50 位以上。 其中超过 80% 研发人员拥有博士学历。研发团队的背景主要在射频氮化镓领域深耕超过 10 余年。具有卓越的芯片设计能力。现有产品包括 RF 射频开关（GaN-On-Si 宽带技术） 、 射频高功率放大器（GaN-On-SiC DHEMT 技术）、电源功率芯片（GaN-On-Si EHEMT 技术）和 射频低噪声放大器（GaAs 技术） 四大系列。全部具有国际领先水平。

“泰高, 让设计变简单”是我们理想。实现这个理想得益于我们通过精巧的布局。使得工程师更加便捷设计。为产品更高效、更小、更可靠的全新解决方案带来更多可能。

充电头网总结

200W以上的电源通常又大又重。考验着消费者的接受能力。市场上很少有品牌会推出功率这么大的快充电源。既是市场缺口。又很难令人接受。得益于氮化镓新技术应用在快充电源上。高频高效的优势。能够减小充电器中电感与变压器的体积。还能减少散热要求。通过使用氮化镓技术并搭配小板组合焊接。能够提升充电器空间利用率。帮助减小体积。

泰高技术推出的240W PD3.1氮化镓快充参考设计。使用NXP恩智浦二合一控制器。内置PFC和LLC控制器。简化了电源初级设计。电源使用四颗泰高TP44100SG氮化镓开关管。分别用于PFC升压和LLC半桥。显著提升了电源转换效率。满载效率达到96%以上。大大降低了发热。

泰高技术这款240W氮化镓电源参考设计采用恒压29.5V输出。搭配二次降压电路。支持2C1A三接口输出。USB-C1支持USB PD3.1 28V 140W输出。USB-C2支持100W输出。USB-A口支持30W输出。三口支持同时快充输出。性能强劲。能同时满足两台笔记本大功率快充需求。同时参考设计还可以根据客户需求定制。满足不同电压输出以及接口需求。