高效率数字反激式氮化镓快充原理与应用

氮化镓是第三代半导体的代表材料。研发之初是用于制造出颜色从红色到紫外线的发光二极管，1990年起开始被广泛应用于发光二极管上，目前被广泛应用于功率器件、集成电路、光电子、军工电子、通讯等领域中。据市场研究机构Yole预测，在消费类电源市场，2026年氮化镓的规模将从2020年的2900万美元，增长至6.72亿美元，年复合增长率高达69%。

氮化镓具备的高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优势让它成为了更好支持电子产品轻量化的关键材料。近些年，氮化镓快充电源成为市场新宠，而反激式开关电源因电路简单、高效、容易实现多路输出等诸多优势得以让它在氮化镓快充中得到广泛应用。

日前，电源网深圳研究中心技术总监黄亭带来《高效率数字反激式氮化镓快充原理与应用》的全面解读。基于数字控制的反激电源，采用氮化镓开关的同时将增强的I²C接口与有源钳位的高效特性相结合，实现高频高效USB PD快充解决方案，本次直播分享其工作原理和应用。直播在电子星球直播间与电源网直播间同步播出。

快充设计的难点就是让功率尽量大和体积尽量小，并且支持100-240W的解决方案，更少的BOM器件数量，实现更高的开关频率、更低的开关损耗、更高的效率等。

知识要点回顾

在直播中，电源网深圳研究中心技术总监黄亭指出，Power Integrations一直是领先的USB PD设计及应用的革新者。从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系列第四代升级版产品InnoSwitch4-Pro，PI再挖氮化镓潜力，持续深耕消费电源市场。

在详细说明高效率数字反激式氮化镓快充原理与应用时，他拿InnoSwitch4-Pro举例。InnoSwitch4-Pro是一款使用有源钳位的数字可编程反激式氮化镓开关芯片产品系列，它集合了InnoSwitch4有源钳位的工作方式与I²C接口灵活的可编程特性，具有广泛适用性，支持包括UFCS、USB-PD、PPS在内的任何通讯协议和其它各种客户定制化协议，兼容CC1和CC2、D+ & D-命令输入，电源状态报告功能，保护特性可编程设定。同时通过不受外部协议影响的接口(I²C)对电源的各种特性进行控制，简单的接口加上高频有源钳位工作意味着可实现极小尺寸的设计。

PI InnoSwitch4-Pro体积小巧的原因是InnoSwitch家族IC将初级、次级和反馈电路同时集成到一个表面贴装离线式反激开关IC中，所有InnoSwitch IC都集成了初级开关管、初级侧控制器、具备同步整流驱动的次级侧控制器以及可省去光耦器的创新性的FluxLink技术。这让电源芯片的封装得以实现高度集成，有利于降低充电器设计的体积。InnoSwitch4技术增加了零电压开关特性，更高的开关频率，却不会带来效率的降低，包含线电压检测及给外部微处理器供电的情况下，空载功耗可达到30mW以下；采用稳定耐用的750V PowiGaN氮化镓初级开关，稳态开关频率高达140kHz，输出可达220W，非常适合小型化平面变压器的应用场合。

除此之外，InnoSwitch4-Pro还增添了新特点及扩展的指令集，集成了新的故障保护类型及增强特性，如输入/输出过压/欠压(OV/UV)保护特性，ISSC/CCSC特性，VBUS开关短路故障保护特性，代码更加简化、响应更快速、有更多可选项；可选ACF或QR(无ClampZero)的工作模式，搭配ClampZero IC可回收漏感能量实现零电压开通(ZVS)提供最佳的效率表现及使用更小的磁性元件，当与HiperPFS-5搭配构成两级变换时效率最高可达95%，支持更高的开关频率，利于使用更小的磁性元件；可选的仅断续模式（DCM only）的工作方式可在负载跳变期间降低同步整流管的电压应力。

InnoSwitch4系列产品是基于InnoSwich3-Pro系列产品成功经验进行更新迭代的产品。

在封装方面，InnoSwitch4-Pro的InSOP-28D封装(MSL 3)的加宽的爬电间距和空间间距>11 mm，易于满足国际安全标准要求，也可满足中国5000m海拔地区的间距要求。

在设计支持工具方面，InnoSwitch4-Pro拥有完整的支持工具，包括PI Expert套件、RDK-942, DER-960参考设计。使用InnoSwitch4-Pro + ClampZero IC的65W输出USB PD 3.0 + PPS设计的RDK-942参考设计套件，通用输入范围为90 - 265VAC，230VAC输入下空载功耗<25mW，65W输出，115VAC输入时，平均效率为92.3%；230VAC输入时，平均效率为93.4%。使用HiperPFS-5 InnoSwitch4-Pro + ClampZero IC的100W输出USB PD 3.0 + PPS设计的DER-960参考设计套件，通用输入范围同样为90 - 265VAC，230VAC输入下空载功耗<50mW，100W输出，115VAC输入时，平均效率为>92%；230VAC输入时，平均效率为>93%。使用InnoSwitch4-Pro+ClampZero IC+MinE-CAP器件，可以进一步降低适配器的尺寸。MinE-CAP IC同样基于PowiGaN技术，可将输入电容的尺寸减小约40%。

UFCS是中国用于配件适配器市场的新兴标准，作为中国推广通用充电标准的一部分。因为InnoSwitch4-Pro是不依赖于协议的产品，可以和所有标准协同工作，所以同样兼容UFCS协议。

实测与拆解

在实测部分，黄亭老师演示的是基于InnoSwitch4-Pro的140WPD3.1快充。因为他使用了1米充电线和用电器进行测试，所以不可避免地产生了一点损耗，但在进行28V5A、20V5A、15V3A、9V3A、5V3A条件下的扫描测试时，效率都达到了91%以上，并且负载效率曲线非常平坦，整机的效率非常高。总的来说，这个快充解决方案表现出了非常出色的性能。

在拆解部分，我们发现，该解决方案使用了四颗PI芯片，其中包括一颗INN3378C，两颗INN4576F，以及一颗PFC控制芯片PFS5278F。这是一个非常经典、高效的快充解决方案。

直播期间，黄亭老师的精彩分享引得在线网友踊跃提问，电源网还不时放送现金红包奖励，多轮微信红包相继开出。在直播结束之后大家纷纷表示，这次直播让人受益匪浅，以后一定要多多举办。

期待领先的USB PD设计及应用的革新者Power Integrations，未来能与各位网友工程师一起深入探讨技术更多话题！下次再会！

审核编辑：汤梓红