GaN FET和ACF PWM控制器实现65W USB Type-C PD充电器

GaN晶体管拥有开关速度快、效率高等优势，本方案结合Transphorm公司的GaN FET和士兰微电子的有源钳位反激式（ACF）PWM控制器，实现了94.5%的峰值效率和30W/in3的无封装功率密度，用于笔记本电脑、平板电脑、智能手机和其他终端设备的电源供电。

图1.65W USB Type--C电源充电器

 

方案介绍

本方案结合Transphorm的SuperGaN第四代平台（Gen IV）与士兰微电子的有源钳位反激式（ACF）PWM控制器，实现了开放式架构的65W USB Type-C PD充电器，性能超过了目前使用硅MOSFET或e-mode GaN晶体管的同类解决方案，而且体积更小。主要性能如下：
输入电压：90-265VAC
输出电压：5V、9V、15V、20V
最大输出功率：65W
输出端头：USB Type-C PD
效率：》94％

 

图2.　65W USB Type--C Power Delivery（PD）充电器电路图

 

输入保护方面，方案采用了一个慢动作（slow-acting）输入保险丝F1，保护下行元器件破坏性失效情况的发生；压敏电阻RV1用来吸收来自电源线的突波并减少来自下行元件的电压过冲，NTC热敏电阻用于浪涌电流保护。

为了满足EN55022标准并保留足够裕量，方案采用了由C１电容器、共模扼流圈L１、变压器T１组成的EMI滤波器电路。

方案采用SZ1130全集成有源钳位反激控制器提供全面故障保护，包括输入欠压停止(UVLO)保护、输入过压停止(OVLO)保护、内部过温保护(OTP)、外部过温保护(OTP)、峰值电流限制(PCL)、过功率保护n(OPP)、输出短路保护(OSC)等。

芯齐齐BOM分析

方案BOM表元器件总数131个，包括来自Transphorm公司的TP65H300G4LSG　SuperGaN FET，来自士兰微电子的SZ1130有源钳位反激控制器。

芯齐齐BOM分析工具显示，SuperGaN FET采用PQFN88封装，是具有顶级栅极坚固性的650V 240mΩ器件。不同于增强型（e-mode）器件，GaN FET不需要额外的偏置轨或电平转换器等保护性外部电路——这一优势可以提高效率。这些特性和其他功能进一步提高了适配器系统的整体功率密度，并降低材料清单（BOM）成本。

图3.　TDADP-SIL-USBC-65W-RD Bill of Materials (BOM)

 

SZ1130是全集成ACF PWM控制器，将自适应数字PWM控制器、有源钳位FET、有源钳位栅极驱动器和UHV启动稳压器集于一体。与其他准谐振（QR）控制器方案相比，SZ1130性能更高，设计简单，PCB占位小。

WT6633P是来自的USB PD控制芯片，采用QFN-16封装，通过了高通Quick Charge 4和Quick Charge 4+测试认证。该芯片内建稳压器，工作电压3-24V，支持PPS规格，用于包含笔电、2合1装置、平板及智能手机在内的USB Type-C产品电源供应器，以及USB Type-C周边配件如车充、行动电源、延长线、连结基座与dongle。

电容器中，电路标号C10采用0805规格的150pF 200V NPO电容器，C1为220nF的X２类陶瓷安规电容器，C5、C6、C20为560uF 20%的引线型铝电解电容器，C21为68uF 80V　20%引线型铝电解电容器，C33为47uF 20%　16V的径向引线铝电解电容器，其余全部采用X7R　MLCC。

除了共模扼流圈L１和电源变压器L２要按照按要求定制，其他元器件均为标准品，可按照BOM表中的料号选购或从硬之城（allchips）一站购齐。
 

　　审核编辑：汤梓红