從應用到方案，GaN為高功率密度USB-PD設計助力，WAYON維安方案設計代理商KOYUELEC光與電子

得益于近年來PD快充協議規范的快速發展與充電標準接口的產業引導，采用統一標準接口的USB Type-C PD電源，為移動設備的便攜充電帶來了前所未有的便捷性。

對于便攜式電子設備，充電器的高功率能力非常重要，因為這意味著設備電池可以更快地完成充電。USB PD 3.0標準定義了電源輸出電壓和功率規范，以確保不同PD電源和設備之間的兼容性。根據其額定功率，電源輸出電壓為5V、9V、15V和20V四個電壓等級，允許通過的最大電流為3A。最大電流水平也可以提高至5A，但需要提供一條特殊的、帶電氣標記的線纜以確保安全。

圖1 USB PD電源功率規范圖

隨著手機、筆記本、游戲機等都逐步加入對于PD快充協議的支持，PD充電器這個品類也開始在國內外的充電器市場上百花齊放。采用USB Type-C接口的PD3.0協議電源，能根據便攜式設備的負載要求將輸出電壓提高到5V以上，在提供高達100W的功率的同時仍能向下兼容通用5V充電功能。這意味著用戶只需攜帶一個USB PD電源，即可滿足手機、筆記本等移動設備的電池快速充電需求，方便且經濟高效。移動電子設備制造商不再需要為其產品配備電源適配器，這不僅降低了成本，而且減少了電子垃圾，改善了環境。

根據充電頭網的最新統計數據，目前USB PD電源的主流功率段是65W，主流電源拓撲是QR準諧振反激。主要原因是由于65W這個功率段覆蓋了主流移動電子設備(手機、平板電腦、筆記本電腦)的快充需求，傳統的QR準諧振反激拓撲又兼顧了消費類電子市場的性價比需求和成熟的上下游產業供應鏈。

圖2 PD快充電源產品功率分布

圖3 PD快充電源拓撲方案分布

與傳統硅基功率半導體器件相比，以GaN為代表的WBG Device 第三代半導體在材料特性和電氣性能上體現出了飛躍性的技術進步，如導通電阻、開關速度較硅基器件約有近10倍的性能提升。

例如在USB PD電源應用領域，采用GaN替代傳統硅基半導體開關實現功率方案，對電源功率密度的顯著提高是一項非常值得期待和普及的技術。目前GaN器件搭配高頻高效拓撲和磁集成技術的電源解決方案，推動著USB PD電源產品朝著更加小型化和便攜性的方向發展。

圖4 第三代半導體的性能優勢

圖5 PD電源的不斷小型化的市場迭代方向

毫無疑問，GaN是實現電源小型化和高功率密度的關鍵器件。在一個65W手機快充的典型應用中，用氮化鎵功率器件替代傳統硅器件，把開關頻率提高到原先的2倍，可以實現近5%的效率提升，節省15%~30%的系統體積和成本。目前移動類消費電子產品的電池續航能力依然沒有實質性突破，所以USB-PD快充仍然是目前解決移動電子設備電池續航焦慮的重要手段。

圖6 65W PD快充的一個典型應用評估

應用在消費類電子充電器電源場合的65W USB-PD，需要采用隔離AC-DC電源，以便滿足安規要求，在系統層面亦有很多應用要求和指標。

AC輸入電壓范圍：

適配全球電壓90Vac~264Vac，50/60Hz

DC輸出：

USB-type C， 3V/9V/12V/20V 3A，20V 3.25A，65W Max

待機功耗：

<75mW，30~50mW

電磁兼容性:

EN55032 Class B (>6dB margin)

電源效率：

Ave Efficiency >91%

器件溫升：

Tc <95C@25C

功率密度：

1.5+ W/cc (Size≤35cc) for PCBA

系統異常狀況的保護功能:

OVP, OCP, SCP, OTP

如圖7是維安功率半導體方案研發部設計的一個典型的65W USB-PD整體解決方案。主功率拓撲是傳統QR準諧振反激變換器;原邊使用650V高壓e-GaN和SSR IC控制器;副邊使用120V中低壓MOSFET和SR IC控制器以及反饋環路的431;協議部分使用了30V P-MOSFET和5V、12V、15V TVS。SSR IC通過檢測原邊開關管在VDS谷底處開通，實現零電流谷底開通，從而降低原邊開關管的開通損耗;副邊SR IC控制同步整流管實現相對低的導通損耗;協議部分采用PD3.0協議IC搭配P-MOSFET負載開關做輸出功率匹配。

圖7 維安USB PD快充整體解決方案

圖8則是對應的實際電源系統方案的參考設計。為實現PD方案的高效率, 原邊開關管使用了一款650V 150mΩ GaN WGB65E150S，副邊同步整流搭載一款120V 7.2mΩ的中低壓MOSFET WMB072N120LG2;變壓器采用了ATQ23.7，Bmax在最惡劣工況下有30%左右的設計裕量，降低了變壓器磁飽和的風險，配合SSR IC的各項異常保護功能從設計上保證了極限應用的可靠性;同時將電源的開關頻率運行在150kHz以內，將整個系統PCBA體積做到了38cc，對應的功率密度為1.88W/cc (30.7W/in3)。

圖8 USB PD 65W參考設計demo

圖9 65W完整方案的系統效率

圖10 EMI傳導

圖11 輻射CDN

為了驗證這個65W USB-PD demo的關鍵性能，我們分別做了效率測試和EMI測試。從圖9的效率測試結果看，系統的平均效率遠遠高于DOE六級能效要求，滿載效率約為92%;10%負載的輕載效率也達到78%以上。圖10的EMI傳導裕量大于6dB，圖11用CDN模擬的輻射測試結果也滿足應用標準。

上述65W的參考設計是維安GaN在USB-PD應用上的一個完整方案開發，利用GaN器件的高頻高效優勢，結合Layout和變壓器方面的系統級優化設計，將完整方案的功率密度做到了同類平臺更優的水準，方便客戶在當前以小型化為主導的市場上去實現產品化;且系統效率和EMI性能均有很好的保障，掃除方案關鍵性能的障礙，以便客戶在后期產品研發階段快速評估和量產導入。

值得一提的是，上述65W USB-PD方案中使用了維安的多種產品組合，如原邊高壓E-GaN，副邊同步整流中低壓MOSFET，副邊電壓反饋基準調節器431，協議負載開關應用的低壓P-MOSFET，以及type-C口的TVS。具體型號見表1.

表1 維安USB PD快充解決方案對應的器件料號

隨著人們對PD快充電源便攜性以及高效環保的重視，我們看到了GaN在快充市場應用已經成為大趨勢。如今，包含GaN在內的廣義上的寬禁帶技術半導體能夠很好的滿足大批量應用的嚴格要求，為原始設備制造商帶來更高的效率和功率密度，再搭配Si基半導體產品組合將為市場帶來更多選擇和便利性，降低系統成本和運營成本。

審核編輯：湯梓紅