高效率數字反激式氮化鎵快充原理與應用

氮化鎵是第三代半導體的代表材料。研發之初是用于制造出顏色從紅色到紫外線的發光二極管，1990年起開始被廣泛應用于發光二極管上，目前被廣泛應用于功率器件、集成電路、光電子、軍工電子、通訊等領域中。據市場研究機構Yole預測，在消費類電源市場，2026年氮化鎵的規模將從2020年的2900萬美元，增長至6.72億美元，年復合增長率高達69%。

氮化鎵具備的高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優勢讓它成為了更好支持電子產品輕量化的關鍵材料。近些年，氮化鎵快充電源成為市場新寵，而反激式開關電源因電路簡單、高效、容易實現多路輸出等諸多優勢得以讓它在氮化鎵快充中得到廣泛應用。

日前，電源網深圳研究中心技術總監黃亭帶來《高效率數字反激式氮化鎵快充原理與應用》的全面解讀?；跀底挚刂频姆醇る娫?，采用氮化鎵開關的同時將增強的I2C接口與有源鉗位的高效特性相結合，實現高頻高效USB PD快充解決方案，本次直播分享其工作原理和應用。直播在電子星球直播間與電源網直播間同步播出。

快充設計的難點就是讓功率盡量大和體積盡量小，并且支持100-240W的解決方案，更少的BOM器件數量，實現更高的開關頻率、更低的開關損耗、更高的效率等。

知識要點回顧

在直播中，電源網深圳研究中心技術總監黃亭指出，Power Integrations一直是領先的USB PD設計及應用的革新者。從2015年推出第一代InnoSwitch&FluxLink到2018年推出集成GaN的PowiGaN，再到2022年推出InnoSwitch系列第四代升級版產品InnoSwitch4-Pro，PI再挖氮化鎵潛力，持續深耕消費電源市場。

在詳細說明高效率數字反激式氮化鎵快充原理與應用時，他拿InnoSwitch4-Pro舉例。InnoSwitch4-Pro是一款使用有源鉗位的數字可編程反激式氮化鎵開關芯片產品系列，它集合了InnoSwitch4有源鉗位的工作方式與I2C接口靈活的可編程特性，具有廣泛適用性，支持包括UFCS、USB-PD、PPS在內的任何通訊協議和其它各種客戶定制化協議，兼容CC1和CC2、D+ & D-命令輸入，電源狀態報告功能，保護特性可編程設定。同時通過不受外部協議影響的接口(I2C)對電源的各種特性進行控制，簡單的接口加上高頻有源鉗位工作意味著可實現極小尺寸的設計。

PI InnoSwitch4-Pro體積小巧的原因是InnoSwitch家族IC將初級、次級和反饋電路同時集成到一個表面貼裝離線式反激開關IC中，所有InnoSwitch IC都集成了初級開關管、初級側控制器、具備同步整流驅動的次級側控制器以及可省去光耦器的創新性的FluxLink技術。這讓電源芯片的封裝得以實現高度集成，有利于降低充電器設計的體積。InnoSwitch4技術增加了零電壓開關特性，更高的開關頻率，卻不會帶來效率的降低，包含線電壓檢測及給外部微處理器供電的情況下，空載功耗可達到30mW以下；采用穩定耐用的750V PowiGaN氮化鎵初級開關，穩態開關頻率高達140kHz，輸出可達220W，非常適合小型化平面變壓器的應用場合。

除此之外，InnoSwitch4-Pro還增添了新特點及擴展的指令集，集成了新的故障保護類型及增強特性，如輸入/輸出過壓/欠壓(OV/UV)保護特性，ISSC/CCSC特性，VBUS開關短路故障保護特性，代碼更加簡化、響應更快速、有更多可選項；可選ACF或QR(無ClampZero)的工作模式，搭配ClampZero IC可回收漏感能量實現零電壓開通(ZVS)提供最佳的效率表現及使用更小的磁性元件，當與HiperPFS-5搭配構成兩級變換時效率最高可達95%，支持更高的開關頻率，利于使用更小的磁性元件；可選的僅斷續模式（DCM only）的工作方式可在負載跳變期間降低同步整流管的電壓應力。

InnoSwitch4系列產品是基于InnoSwich3-Pro系列產品成功經驗進行更新迭代的產品。

在封裝方面，InnoSwitch4-Pro的InSOP-28D封裝(MSL 3)的加寬的爬電間距和空間間距>11 mm，易于滿足國際安全標準要求，也可滿足中國5000m海拔地區的間距要求。

在設計支持工具方面，InnoSwitch4-Pro擁有完整的支持工具，包括PI Expert套件、RDK-942, DER-960參考設計。使用InnoSwitch4-Pro + ClampZero IC的65W輸出USB PD 3.0 + PPS設計的RDK-942參考設計套件，通用輸入范圍為90 - 265VAC，230VAC輸入下空載功耗<25mW，65W輸出，115VAC輸入時，平均效率為92.3%；230VAC輸入時，平均效率為93.4%。使用HiperPFS-5 InnoSwitch4-Pro + ClampZero IC的100W輸出USB PD 3.0 + PPS設計的DER-960參考設計套件，通用輸入范圍同樣為90 - 265VAC，230VAC輸入下空載功耗<50mW，100W輸出，115VAC輸入時，平均效率為>92%；230VAC輸入時，平均效率為>93%。使用InnoSwitch4-Pro+ClampZero IC+MinE-CAP器件，可以進一步降低適配器的尺寸。MinE-CAP IC同樣基于PowiGaN技術，可將輸入電容的尺寸減小約40%。

UFCS是中國用于配件適配器市場的新興標準，作為中國推廣通用充電標準的一部分。因為InnoSwitch4-Pro是不依賴于協議的產品，可以和所有標準協同工作，所以同樣兼容UFCS協議。

實測與拆解

在實測部分，黃亭老師演示的是基于InnoSwitch4-Pro的140WPD3.1快充。因為他使用了1米充電線和用電器進行測試，所以不可避免地產生了一點損耗，但在進行28V5A、20V5A、15V3A、9V3A、5V3A條件下的掃描測試時，效率都達到了91%以上，并且負載效率曲線非常平坦，整機的效率非常高?？偟膩碚f，這個快充解決方案表現出了非常出色的性能。

在拆解部分，我們發現，該解決方案使用了四顆PI芯片，其中包括一顆INN3378C，兩顆INN4576F，以及一顆PFC控制芯片PFS5278F。這是一個非常經典、高效的快充解決方案。

直播期間，黃亭老師的精彩分享引得在線網友踴躍提問，電源網還不時放送現金紅包獎勵，多輪微信紅包相繼開出。在直播結束之后大家紛紛表示，這次直播讓人受益匪淺，以后一定要多多舉辦。

期待領先的USB PD設計及應用的革新者Power Integrations，未來能與各位網友工程師一起深入探討技術更多話題！下次再會！

審核編輯：湯梓紅