快充如何用GaN技术突破100W输出功率？

如果你曾经用过iPhone，一定被它“五福一安”（额定输出功率5V1A）的充电器深深伤害过。在如今这个时间就是生命的年代，充电速度比不上用电速度，就是谋财害命。不过在新iPhone发布临近之日，有富士康员工爆料称这次苹果将标配18w的USB-C PD电源适配器+线，型号也将有之前的A1443变成A1720。

这个消息如果属实，将是苹果的一大步，因为iPhone 8之后的机型其实都支持18w充电，但苹果却只标配“五福一安”，然后官网上的18w充电器卖249元……

但对于快充界来说，这只是一小步，因为早有第三方厂商在“五福一安”同等体积下，做出了18w USB PD充电器，功率密度达到了苹果5W充电器的3倍以上，并且兼容Apple 2.4A、QC、PD等快充协议。

尺寸做小，效率提升的原因

Power Integrations资深技术经理Jason Yan(图自：Luffy Liu摄 电子工程专辑)

为什么第三方厂商可以在把尺寸做小的同时，又能兼顾充电效率？“因为他们更愿意尝试新兴技术，比如相比传统硅更有优势的氮化镓（GaN）技术。”Power Integrations资深技术经理Jason Yan，在日前于深圳举办的一场媒体见面会上对《电子工程专辑》表示，“功率器件中采用GaN晶体管，相比传统硅晶体管，可以使电源效率更高、温度更低、尺寸更小，实现大功率电源无散热片设计。”

第三方厂商在“五福一安”体积下做出的18w充电器参考设计，无需散热片(图自：Luffy Liu摄 电子工程专辑)

这些特点，让GaN技术在对尺寸和效率有较高要求的应用中成为首选。除了第三方USB PD适配器、高端手机充电器和笔记本适配器等移动设备，还可以用在各类家电、PC、游戏机和服务器等产品的待机电源中。这一切都得益于GaN开关替换了IC初级的常规高压硅晶体管，降低了电流流动期间的传导损耗，并极大降低工作时的开关损耗，最终有助于大幅降低电源的能耗，从而提高效率。

(图自：Power Integrations)

Jason Yan表示，普通MOSFET的输出电容在其开通时，通过其本身进行放电。但是寄生电容的大小与MOSFET的大小成比例，更大MOSFET等于更多的开关损耗，“而PowiGaN™开关单位面积的R_DS(ON) （导通电阻）更小，意味着更低的导通损耗。”

GaN开关损耗变化曲线(图自：Power Integrations)

一般来说，开关损耗会随着管子大小的增大而增加，导通损耗会随着管子大小（体积V）的增大而减小，两者曲线的交叉点就是传统MOSFET的功率损耗。但GaN的开关损耗既不取决于电容（C）大小，也不取决于体积，所以其功率损耗的交叉点要比传统MOSFET低很多。

100 W功率输出的小目标达成

在今年7月，Power Integrations发布了InnoSwitch™3系列恒压/恒流离线反激式开关电源IC的新成员INN3X79C、INN3X70C。新IC可在整个负载范围内提供95%的高效率，并且在密闭适配器内不使用散热片的情况下可提供100 W的功率输出。相比传统硅器件90%的性能提升就来自上文提到的——PI自研高压GaN开关技术。

与硅器件相比（蓝色），GaN产品（红色）将输出功率在PFC-400VDC下做到了近120W最高值(图自：Power Integrations)

据介绍，为了让工程师可以看到显著的性能提升，却感觉不到其他方面的变化，PI在这代产品上与之前保持了一致性、连贯性及易于使用特性，在准谐振模式的InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP和InnoSwitch3-Pro IC一个表面贴装封装内集成了初级电路、次级电路和反馈电路。无需外围元件即可提供恒压/恒流/恒功率，与接快充协议接口IC协同工作，因此适用于高效率反激式设计。

在将适配器额定值做到80甚至90W的同时，耐压值提高到750V也更适合家电防雷(图自：Power Integrations)

PowiGaN方案做出的业界首款90W USB-C双头充电器，可以同时给两台MacBook充电（图自：Luffy Liu摄 电子工程专辑）

参考电路(图自：Power Integrations)

使用GaN技术安全隔离型LED驱动器

而在媒体会上，Power Integrations还宣布推出LYTSwitch™-6系列安全隔离型LED驱动器IC的最新成员LYT6079C、LYT6070C。使用PowiGaN™技术的大功率密度器件，可通过反激拓扑实现110 W输出功率和94%转换效率的设计，并且相对于硅基产品增大了输出功率范围和击穿电压范围。

与InnoSwitch3系列一样，采用GaN技术同样能够增加效率和功率(图自：Power Integrations)

新的LYTSwitch-6 IC无需使用散热片，减小了镇流器的尺寸和重量，并降低对驱动器周边风冷环境的要求，和采用PowiGaN初级开关的InnoSwitch3器件一样，可通过低R_DS(ON)降低开关损耗。“相较于常规方案，这一改进结合LYTSwitch-6现有的诸多特性，可使功率转换效率提高3%，进而减少三分之一以上的热能浪费，还可提供无损耗电流检测来提高效率。”Jason介绍到，“保留快速动态响应可为并联LED灯串提供交叉调整率，并且无需额外的二次稳压电路，同时还支持无闪烁系统工作。更加易于实现使用脉宽调制(PWM)接口的调光应用。”

参考设计。和传统LED驱动器方案（上）相比，采用GaN技术后大（下）幅简化了电路。(图自：Power Integrations)

供货及技术支持

“新的PowiGaN系列产品与传统硅晶体管的工作方式相比，无明显区别。”Jason说到，“无论采用硅晶体管还是PowiGaN开关的InnoSwitch3 IC、LYTSwitch-6 IC，均使用相同的开关电源设计流程、相同的开关频率，根据输出功率的不同可以选取相应的外部电路元件。就连开关波形都极为相似，在EMI、ESD方面无异常的电路特性表现，也无需增加特别的设计考量。”

基于GaN的InnoSwitch 3 IC和LYTSwitch-6 LED驱动器已开始供货，价格分别为基于10,000片订货量每片单价4美元和3.14美元。Jason表示，目前他们是唯一一家能够实现大批量、稳定供货的适配器用GaN厂商，目前已被多家客户用于众多设计。

(图自：Luffy Liu摄 电子工程专辑)

Power Integrations网站还提供了多款输出功率介于60 W到100 W的USB-PD充电器参考设计，以及一份100 W 3段调光LED镇流器参考设计。此外还提供自动化设计工具PI Expert™以及其他技术支持文档。

采用PowiGaN开关INN32X9C的65W快充适配器参考设计(图自：Power Integrations)

One More Thing……

除了“主菜”，Power Integrations这次还带了一道“小菜”——X电容放电芯片CAPZero™-3。Jason表示，双端子CAPZero-3 满足大家电的IEC60335和IEC62368安全标准，并且涵盖100 nF到6 µF的所有电容值。因为消除了待机期间X电容放电电阻上的功耗，这款芯片能用于降低空载及待机功耗，最多可以做到1W的功耗节省，而起自供电操作可令本身功耗低于4mW。

图自：Power Integrations)

IEC60335是涵盖所有家电的放电安全标准。为防止对用户造成电气危害，比如拔掉充电器后，还会被X电容放出的电电到，该标准要求在AC断电后一秒之内应将输入X电容的电压放电至34 V以下。CAPZero-3可在AC电压接通后阻断流经X电容放电电阻的电流，并在AC断电后通过这些电阻自动对X电容放电。

（图自：Power Integrations)

“CAPZero-3可简化EMI滤波电路的设计，同时允许使用更大容量的X电容，从而可使用小号电感元件，而不会改变功耗。” Jason介绍到，“它既可以放置在系统输入保险丝之前，也可以放置在它之后。并且内部集成了1000 V MOSFET，具有较高的共模抗浪涌能力，无需外部接地连接，封装和PCB的爬电距离保持在4 mm以下。”

红框中就是CAPZero-3和两颗放电电阻(图自：Luffy Liu摄 电子工程专辑)

CAPZero-3器件经正在进行CB和Nemko的安全认证，预计今年11月份完成，因此开发人员无需对电源的X电容放电电路进行单独的安全测试。 Jason表示该器件非常易于选择，因为只有一个型号，并且和旧的CAPZero/CAPZero-2 PIN to PIN兼容。现已开始供货，以1,000片为单位订货，单价为0.31美元。

责编：Luffy Liu

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