泰高技术推出市面首款 240W 氮化镓 USB PD3.1多口快充电源方案
前言
泰高技术在四月推出了一款采用分立器件的PFC+LLC拓扑的210W氮化镓电源模组方案，这电源模组方案已在知名线上媒体网站获得上万播放量，网友们评论激烈，这类小巧高效的电源产品对市场有一定的吸引力。210W的氮化镓电源模组方案，一共使用四颗泰高技术第一代的 TP44200NM 合封氮化镓开关管，分别在PFC和LLC上，两颗用于PFC升压，两颗组成LLC半桥，能够显著减小了大功率电源体积。
泰高技术最新推出了一款240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案，采用可编程数字电源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓扑，同时运用4颗泰高技术第二代的 TP44100SG 合封氮化镓开关管，实现“更高效率，更大功率，更小体积，更低发热。”
240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案采用了新一代氮化镓方案，PCBA 三围尺寸为75.8*59.4*29.6mm³，大小与苹果61W单口充电器相比小了20%体积，按照额定输出功率240W计算，其功率密度高达1.8W/cm³；泰高技术实现了国内首家针对240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案中功率密度超过1.75W/cm³的参考设计。
泰高技术这款240W氮化镓电源参考设计使用可编程数字电源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓扑，输出恒压为29.5V，搭配二次降压电路，使得氮化镓充电器拥有 2C1A 共三个输出口的配置，其中USB-C1支持140W输出，USB-C2支持100W输出，USB-A口支持30W输出，三口支持同时快充输出，性能强劲。USB-C1是基于USB PD 3.1新标准开发，支持 28V5A 140W大功率输出，适配Macbook Pro 2021满血快充。向下兼容USB PD 3.0，还支持市面各种常见的快充协议，不管是未来新快充标准设备，还是主流设备都能通吃，并照顾多设备充电需求。
充电头网已经拿到泰高技术这款240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案参考设计，下面就带来这款电源设计以及测试解析。
泰高技术 240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源方案参考设计外观
泰高技术240W的氮化镓USB PD3.1 多口快充电源方案参考设计采用可编程数字电源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓扑，固定电压输出，搭配三路独立的同步降压电路，满足USB PD3.1 140W+USB PD3.0 100W同时输出。
这款电源模块主要由两块较大的PCB组成，其中上层PCB为同步整流输出和同步降压部分，下层PCB为PFC+LLC的初级电源部分，初级电源的零件布局是由于采用可编程数字电源芯片 PFC+LLC Combo 高效拓扑与泰高技术第二代的 TP44100SG 合封氮化镓开关管，就显得更加紧凑与简单。
电源背面是四颗泰高技术第二代的 TP44100SG 合封氮化镓开关管，碳化硅二极管和一颗二合一控制器。
两块板子之间紧密的排列着PFC升压电感、LLC变压器、滤波电容等体积较大的插件物料，除了背面的氮化镓器件外，其余发热较高的器件都放在中间，散热体验更好。
三个接口的小板焊接在上层PCB上，同时在下层PCB上增加焊点为固定作用。
侧面一览，左侧排针连接光耦用于输出电压反馈，右侧USB-A小板焊接降压电路。
左侧是输入滤波器件，绿色电容为LLC谐振电容，电容后面是谐振电感，右侧为LLC变压器，初级焊接在下层PCB上，次级直接焊接到上层PCB上进行同步整流。
输入滤波和整流电路一览。
使用游标卡尺测得PCB模块长度为75.8mm。
宽度为59.4mm。
测得厚度为29.6mm。
测得参考设计重量约为181克。
泰高技术 240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源参考设计解析
首先从输入端开始，逐一介绍这款电源的用料和设计。
电源输入端延时保险丝规格为5A 250V。
输入端黑色NTC热敏电阻，用于上电浪涌电流抑制。
10D561K压敏电阻，用于输入过压保护。
第一级共模电感，采用多层绝缘线绕制，绿色磁环，左侧是黄色X电容。
最左侧是整流输出的滤波薄膜电容，中间是整流桥，右侧是第二颗共模电感，外套热缩管绝缘。
两颗红色薄膜电容之间是滤波电感，外套热缩管包裹绝缘，为PFC输入滤波。
泰高技术 240W氮化镓快充参考设计使用NXP恩智浦 可编程数字电源芯片 TEA2016AAT 二合一控制器用于PFC和LLC控制。芯片内部集成高压启动和X电容放电，集成PFC控制器、LLC控制器以及对应的驱动器，PFC支持DCM和QR运行模式。
TEA2016AAT内置数字架构，基于高速的数字内核控制器，PFC和LLC运行参数和保护参数可设置，为高度可靠的实时性能提供保障。并且TEA2016AAT具有高转换效率和低待机功耗。
PFC升压开关管使用两颗泰高技术第二代的 TP44100SG 合封氮化镓开关管。泰高技术 TP44100SG 是一颗650V耐压，瞬态耐压750V，90mΩ导阻的增强型合封驱动器氮化镓开关管，支持0V~20V PWM 信号控制，支持传统控制器和氮化镓直驱控制器使用。
在这两种情况下都不需要外部供电VCC。归功于 TP44100SG 合封氮化镓开关管不需要VCC供电，应用在PFC＋LCC 或 无桥PFC＋ AHB 等大功率拓扑的设计提供更可靠与更简单的设计。针对 TP44100SG 合封氮化镓开关管做并联去应用输出电流大于60A的设计，其外围器件简单并且可以实现最多6颗合封氮化镓开关管做并联。
泰高技术TP44100SG支持单管，半桥应用，适用于AC-DC，DC-DC，DC-AC应用，支持标准PFC和图腾柱PFC应用，支持高频LLC应用，支持快充、笔记本电源等充电应用。支持LED照明、电机驱动与服务器电源应用。
泰高技术 TP44100SG 采用QFN5*7mm²封装，具有加强的散热性能，其散热的性能足跟市面上QFN6x8mm² 与 QFN8x8mm² 芯片封装相竞争，封装具有低电感，适合高频高功率密度电源使用。
PFC开关管电流检测电阻，采用2512封装合金电阻，33mΩ。
PFC整流管使用泰科天润 G5S6506Z，是一颗耐压650V，162℃下工作电流6A，最高工作温度175℃的碳化硅二极管，使用DFN5*6封装。其具有零反向恢复特性，相比快恢复二极管更低的正向压降，适合PFC功率因数校正电路使用。
泰科天润 G5S6506Z 详细资料。
PFC电路旁路二极管，丝印US5M，消除上电对PFC电路的冲击。
高压滤波电容使用两颗并联，其中一颗规格为120μF 420V。
另外一颗为33μF 420V。
LLC半桥使用两颗泰高技术 TP44100SG 合封氮化镓开关管组成，TP44100SG 的外围电路简单。应用半桥设计去驱动一颗 TP44100SG 只要2个电阻,1个电容,1个6.2V稳压管等简单零部件组成，最大优化其产品可靠性与设计简单。
泰高技术 TP44100SG 氮化镓开关管特写。
LLC谐振电容特写，来自捷威，MPP92-BOX谐振电容，高频损耗小，噪声小，使用树脂外壳封装，并使用环氧树脂灌封，耐候能力提升，一致性好。电容规格为33nF，1000V耐压。
LLC变压器特写，使用绝缘胶带严密包裹。
介绍完下层PCB功率级器件，下面来到上层PCB板。
贴片Y电容来自特锐祥，型号TMY1222M，具有体积小、重量轻等特色，非常适合应用于氮化镓快充这类高密度电源产品中。
特锐祥专注于被动元器件的研发、生产及销售，注册资本1亿元。旗下有自主电容品牌两类：SMD TRX及DIP TY电容器，TRX将致力于陶瓷材料的研究，以拓展更多品类的应用，为客户提供更多的解决方案。
充电头网了解到，特锐祥贴片Y电容除了被麦多多100W氮化镓、OPPO 65W超级闪充氮化镓充电器、联想90W氮化镓快充、努比亚65W氮化镓充电器、倍思120W氮化镓+碳化硅PD快充充电器等数十款大功率充电器使用外，也可应用于海陆通、第一卫、贝尔金等品牌20W迷你快充上，性能获得客户一致认可。
1019光耦用于输出电压反馈。
同步整流控制器来自NXP恩智浦，TEA1995T，内置两个同步整流驱动器，用于LLC拓扑开关电源同步整流。外围器件精简，待机功耗低。
两颗同步整流管均来自维安，WMB040N08HGS，NMOS，耐压80V，导阻3.2mΩ，采用PDFN5060-8L封装。
另外一颗同步整流管，对应LLC变压器两个次级线圈。
两颗滤波固态电容来自NJcon永立，规格为330μF 35V。
输出的交流电经过整流滤波后为直流电，送入三路独立的降压电路。
其中一路降压电路特写。
同步降压控制器使用英集芯IP6550，英集芯 IP6550 是一款支持 36V 输入的同步降压控制器，内置 NMOS 管驱动，外置两个 MOS 管进行高效同步整流降压。IP6550 通过反馈引脚调节输出电压。开关频率 135KHz，输入端耐压 48V，内置完善的保护功能。
同步降压开关管使用两颗锐骏半导体RUH4040，NMOS，耐压40V，导阻5.5mΩ，采用PDFN3333封装。
磁环降压电感特写，内部打胶固定。
输出滤波固态电容，来自云星，220μF 35V。
78L05三端稳压芯片，用于电路中芯片供电。
另外一路IP6550降压电路。
同样的两颗MOS管用于降压。
磁环降压电感特写，内部打胶固定。
输出滤波固态电容，来自云星，220μF 35V。
用于降压输入滤波的云星固态电容，220μF 35V。
USB-A口使用智融SW3526多协议充电芯片输出，SW3526支持USB-C和USB-A口输出，芯片内部集成3.5A高效率同步降压转换器，支持PPS、PD、QC、AFC、FCP、SCP、PE、SFCP、低压直充等充电协议，支持CC/CV模式，外部仅需少量器件。
对应的降压电感和滤波电容。
USB-C以及USB-A输出接口特写。
泰高技术 240W 氮化镓 USB PD3.1 多口快充电源参考设计部分测试数据
输出电压测试：
泰高技术240W氮化镓快充参考设计能够满载工作在 90Vac-264Vac 范围的工作条件下，板上输出空载电压范围为29.51-29.53Vdc，输出负载电压范围为29.5-29.53Vdc，输出电压随负载变化轻微，有良好的电压调整率。240W氮化镓快充设计搭配三路独立降压电路，实现了140W+100W的PD快充输出。
纹波噪音测试：
110Vac输入电压下，满载测试，测得纹波为246mV。
220Vac输入电压下，满载测试，测得纹波为164mV。
转换效率测试：
在90Vac-264Vac输入电压范围内， 240W氮化镓快充板端平均转换效率大于94.3%；其中220Vac输入，满载输出效率为96.0%。240W氮化镓快充最大待机功耗200mW，符合能效六级的应用要求。
关键元件温度测试：
使用Fluke TI200红外热成像仪对PCB进行测温，环境温度30℃。
240W氮化镓快充在90Vac输入，满载输出条件下90分钟，LLC驱动氮化镓 TP44100SG 温度109℃；PFC驱动氮化镓 TP44100SG 温度为106℃；LLC变压器温度为97.℃；输出同步整流管温度为103℃。
240W氮化镓快充在220Vac输入，满载输出条件下90分钟，LLC驱动氮化镓 TP44100SG 温度85℃；PFC驱动氮化镓 TP44100SG 温度为108℃；LLC变压器温度为103℃；输出同步整流管温度为97℃。
接口输出功率测试：
泰高技术240W氮化镓快充输出策略，USB-C1接口支持140W快充，独立固定，不受功率分配影响，USB-C2与USB-A1均独立支持快充，支持功率智能分配。
USB PD3.1快充标准发布数月之久，这期间，泰高技术诞生了首款240W 氮化镓 USB PD3.1快充充电器，加速新标准的商业化应用，也缩短客户领先同行的产品开发时间。
泰高技术的240W氮化镓快充充电器参考设计，通过使用氮化镓开关管配合PFC+LLC的高效架构，能满足客户端小体积而又高效的电源设计。参考设计已经在国家级实验室里已经通过EMI/EMC测试，并且有足够余量，能直接提供PCBA给终端品牌客户生产，以利于品牌客户缩短开发产品周期。
泰高技术目前已推出多款完整的氮化镓快充解决方案，现有包括大功率PD充电器应用的有210W / 240W ，氮化镓插线板应用的有65W 1C+2A / 2C+1A两种设计，未来也会开发300W以上的锂电池充电器与750W 矿机电源与2.5KW 双向OBC户外电源方案等，有需求的伙伴或是客户可以与泰高技术的业务团队联系，获取更多产品详细信息。
邮箱地址：ttsales@tagoretech.com.cn
关于泰高技术
深圳市泰高技术有限公司主要从事基于第三代半导体 硅（Si）基氮化镓 及 碳化硅（SiC）基氮化镓技术的集成电路研发和销售，所研发的氮化镓芯片已经被超过 60 家欧美国际大公司及30家国内大公司的采用。
泰高技术的研发团队源于德国公司英飞凌, 其芯片设计中心位于美国芝加哥（Chicago），另外在印度设有研发分部，全球研发人员有 50 位以上， 其中超过 80% 研发人员拥有博士学历。研发团队的背景主要在射频氮化镓领域深耕超过 10 余年，具有卓越的芯片设计能力，现有产品包括 RF 射频开关（GaN-On-Si 宽带技术） 、 射频高功率放大器（GaN-On-SiC DHEMT 技术）、电源功率芯片（GaN-On-Si EHEMT 技术）和 射频低噪声放大器（GaAs 技术） 四大系列，全部具有国际领先水平。
“泰高, 让设计变简单”是我们理想，实现这个理想得益于我们通过精巧的布局，使得工程师更加便捷设计，为产品更高效、更小、更可靠的全新解决方案带来更多可能。
充电头网总结
200W以上的电源通常又大又重，考验着消费者的接受能力，市场上很少有品牌会推出功率这么大的快充电源，既是市场缺口，又很难令人接受。得益于氮化镓新技术应用在快充电源上，高频高效的优势，能够减小充电器中电感与变压器的体积，还能减少散热要求，通过使用氮化镓技术并搭配小板组合焊接，能够提升充电器空间利用率，帮助减小体积。
泰高技术推出的240W PD3.1氮化镓快充参考设计，使用NXP恩智浦二合一控制器，内置PFC和LLC控制器，简化了电源初级设计。电源使用四颗泰高TP44100SG氮化镓开关管，分别用于PFC升压和LLC半桥，显著提升了电源转换效率，满载效率达到96%以上，大大降低了发热。
泰高技术这款240W氮化镓电源参考设计采用恒压29.5V输出，搭配二次降压电路，支持2C1A三接口输出，USB-C1支持USB PD3.1 28V 140W输出，USB-C2支持100W输出，USB-A口支持30W输出，三口支持同时快充输出，性能强劲，能同时满足两台笔记本大功率快充需求。同时参考设计还可以根据客户需求定制，满足不同电压输出以及接口需求。
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