再幾天,蘋果(Apple)就要發佈最新一代的iPhone,網上被爆料最多就是無線充電、快速充電功能和配件。作為永遠慢一步的手機廠商代表,蘋果曾被寄予厚望優先採用無線充電和快充,但直到2017年他們才發佈支持Qi標準的iPhone。雖然同期他們還宣佈將發佈一款神奇的無線充電枕AirPower,號稱能同時為三款蘋果設備無線充電,但直到2019年產品都沒有問世。最終在2019年3月,蘋果不得不宣佈取消AirPower專案。

雖然已經有協力廠商,按照AirPower的概念做出了多線圈一對多充,但能否獲得蘋果授權和支持還不得而知,畢竟三台設備一起充電的發熱量,要達到蘋果的要求很難。現在蘋果官網上賣的仍舊是「天價」的協力廠商5W、7.5W無線充電板。

無線充電比插線充電方便那麼一點點,但論速度是遠遠比不上有線快充。有評測機構做過實驗,同樣是5W的輸出功率,無線充電的效率遠不如有線充電,這也是為什麼無線充電10W、15W就可以稱為快充,而有線充電現在都卯足了勁往100W跑,就連蘋果據傳都會在今年放棄祖傳的「五伏一安」充電器,改用18W USB-C PD充電器。

若消息屬實,那將是蘋果的一大步,因為iPhone 8之後的機型其實都支持18W快充,但蘋果卻繼續標配「五伏一安」,然後在官網賣「天價」協力廠商快充頭。為什麼協力廠商就能在「五伏一安」同等體積下,做出18W USB PD充電器,蘋果卻不行?無線充電在設計和測試上要注意什麼?最近又有哪些功率元件和解決方案可以提高電源效率?

9月5日,ASPENCORE在深圳南山科興科學園舉辦了第20屆電源管理論壇,主題為「快充、無線充,以及電池電量監控」,或許能從這裡找到答案。

今年最夯電源議題——GaN

要說今年最火熱的電源議題,氮化鎵(GaN)當之無愧,在輸入電壓為100V或更低的應用中,已經沒什麼理由能讓你拒絕GaN電晶體。相比傳統矽電晶體,GaN可以使電源效率更高、溫度更低、尺寸更小,實現大功率電源無散熱片設計。在這次電源論壇上,有三位演講嘉賓都分享了GaN相關話題。

Power Integrations(PI)資深技術經理Jason Yan介紹了該公司的GaN開關技術InnoSwitch-3系列新品。普通MOSFET的輸出電容在其開通時,透過其本身進行放電,但是寄生電容的大小與MOSFET的大小成比例,更大MOSFET等於更多的開關損耗,而PI的PowiGaN開關單位面積的RDS(ON)(導通電阻)更小,意味著更低的導通損耗。

「一般來說,開關損耗會隨著管子大小的增大而增加,導通損耗會隨著管子大小(體積V)的增大而減小,兩者曲線的交叉點就是傳統MOSFET的功率損耗。但GaN的開關損耗既不取決於電容(C)大小,也不取決於體積,所以其功率損耗的交叉點要比傳統MOSFET低很多。」Jason介紹。

20190909NT61P1 與矽元件相比(藍色),GaN產品(紅色)將輸出功率在PFC-400VDC下做到了近120W最高值。(圖片來源:PI)

用GaN開關替換IC初級的常規高壓矽電晶體,可以降低電流流動期間的傳導損耗,並極大降低工作時的開關損耗,最終有助於大幅降低電源的能耗,從而提高效率。

深圳世強先進現場應用工程師蘇陽東也分享了「採用GaN技術實現高密高效的快充應用」的主題演講。為什麼需要快充?從智慧型手機充電的發展史來看:從2009~2019年,手機電池容量越來越大,充電時間卻越來越短,由原來的7、8小時到現在半個小時,充電器的功率也越做越大,從2.5W到現在的55W、65W甚至100W,但是充電器的體積卻一直保持著小型化。

由此可見,後續的充電器的主要還是往功率密度越來越高的方向發展。而矽元件被開發到極致時,更高頻率的GaN元件更加適合應用於高效、高功率密度、小體積的快充產品設計。

20190909NT61P2 (圖片來源:世強先進)

「目前所談的氮化鎵基本都是矽基氮化鎵,結構上採用的是矽襯底,之後是緩衝層,然後是二維橫向的電子通道,在往上就是氮化鎵鋁(AlGaN)GS三極(汲極、閘極和源極)。」蘇陽東介紹,「GaN主要是透過二維電子通道和外延結構,提供極高的電荷密度和遷移率來形成導通通道。」

世強目前代理英諾賽科(Innoscience)的GaN元件,並推出了很多快充參考設計,與矽MOSFET的方案相比,GaN方案具有高效、高密、小體積化的特性。

第三位元分享GaN話題的是億思騰達晶片整合方案主管周鵬,他們的超薄電源配置採用納微電子(Navitas)的GaN功率晶片。據周鵬介紹,納微擁有全世界第一款AllGaN功率IC,也是首個、最快速整合的GaN閘極驅動器,速度高於所有門極驅動器3倍以上,支援40MHz開關頻率。

20190909NT61P3 矽、離散GaN和整合GaN功率IC的電源設計複雜程度和能效對比。(圖片來源:億斯騰達)

隔離解決方案

進行電源設計一定離不開隔離,芯科科技(Silicon Labs)中國華南區銷售經理林秋華,介紹了自家陣容齊全的電容隔離產品,並且與競爭對手的電感型、磁耦型產品做了對比。

首先是靈魂拷問:為什麼要隔離?林秋華表示,在電源產品中,往往輸入端有高電壓,控制端則是低電壓,400V高壓輸入和3.3V 的MCU放在一起需要隔離來減少干擾,也是為了保障安全。目前電源適配器中的變壓器,其實就是最傳統的隔離方式。

而隔離技術又分為:

1.以Silicon Labs和TI為代表的電容型;

2.以ADI為代表的電感型;

3.以博通、東芝和Vishay為代表的光耦型。

20190909NT61P4 三種隔離技術的特點總結。(圖片來源:silicon Labs)

林秋華認為,基於CMOS製程的電容耦合是目前最先進、性價比最高的隔離技術,在同樣的性能下,磁耦比容耦貴20~30%。而光耦之所以價格低,是因為產量大,但是容耦正在逐步取代光耦,比如在電動車BMS中,用半導體隔離方式取代光隔離是趨勢。

開關數位電源及USB-PD

意法半導體(ST)技術市場經理譚有志介紹了一款開關數位電源產品。STNRG011在一個封裝內整合雙端LLC諧振半橋控制器、多模式功率因數校正(PFC)控制器和數位核心。片上整合的數位外設利用ST的狀態機事件驅動(SMED)技術和專有類比硬體,提升控制回路的處理性能,實現動態回應。晶片上還配備非易失性記憶體,用於儲存專用參數。

20190909NT61P5 (圖片來源:意法半導體)

STNRG011的數位控制和使用者程式設計功能協助工程師在整個負載範圍內最佳化能效和性能,並利用輕載時的高載模式來最大限度地提高能效。2接腳UART/I2C埠連接主機系統,能夠監測並管理電源。

片上還整合諸多其他功能,包括LLC和PFC閘極驅動器、高壓(800V)啟動電路和線路感應功能,以進一步簡化應用設計,提高可靠性和耐用性,降低解決方案的尺寸和物料清單BOM成本。鑒於新的視聽和ICT設備安全標準IEC 62368-1正在取代美國和歐盟的60950和60065標準,STNRG011會整合一個X電容放電電路,以降低終端設備的合規難度。

意法半導體功率元件市場部經理唐建軍則介紹ST MOSFET在USB-PD電源應用中的成功案例。首先在高電壓功率MOSFET技術中,主要分為Planar和超接合面(Super Junction;SJ)兩塊。

成功案例介紹中,可看到有Google、HP、華為等大廠的USB PD電源,功率從27W到65W不等,涉及到的產品有QR Flyback MOSFET、SR MOSFET、Active clamping MOSFET等。

無線充電測試

是德科技(Keysights)通路經理廖徵宇在介紹無線充電線圈測試之前,先為大家科普元件的阻抗測試。所謂阻抗(Z),就是元件或電路對交流電總的反作用。與阻抗值相關參數主要是品質因數(Quality Factor,Q因數)和損耗因數(Dissipation Factor,D因數)。

但沒有任何一種元件,是單純的電阻或電抗屬性,他們都是由電阻、電容、電感(R、C、L)三種屬性合併而來,而其中那種「最不想要的屬性」,被稱為「寄生效應(parasitics effect)」。學會了阻抗測量,才能更好地對無線充電的線圈進行測試。

20190909NT61P6 (圖片來源:是德科技)

當前無線充電技術主要有以上幾種,其中藍色的是已商用,幾乎所有目前在用的無線充電都是基於磁感應或磁共振技術。磁共振雖然傳輸效率低,但作用距離相對較長,用戶體驗更好。無論磁共振還是磁感應,功率傳輸效率都是一個關鍵指標。

目前世界兩大無線充電聯盟所對應的技術,對比如下。

20190909NT61P7 (圖片來源:是德科技)

在無線充電測量中,包括很多專案,其中發射機主要測試輸出阻抗,接收機主要測試輸入阻抗。而在研發階段,發射機的耦合效率、接收機的電感和線圈/諧振器Q值也是重要測試項目之一。

線圈中的LC諧振電路會直接影響功率傳輸效率,因此需要用阻抗、電感、電容和Q因數仔細地進行表徵。對於高效率的無線充電設計來說,更低的損耗(低DCR)和寄生(高Q)必不可少。

發射機和接收機線圈的電感通常在微亨(μH)範圍,測試在幾十到數百kHz的頻率範圍內進行。因此,阻抗範圍從幾毫歐姆到幾歐姆,需要測試設備有優異的寬阻抗範圍特性,將精準度保持在10%以內。

萬物皆可USB-C充電

賽普拉斯(Cypress)區域市場經理Gary Yuan首先介紹該公司在USB方面的硬實力。截至2018年,他們的USB總出貨量達22億顆,其中2015~2018年出貨超過5億USB-PD控制器,提供了從端到端幾乎所有USB-C解決方案,用量最大的客戶類型包括筆記型電腦、Docking、線纜(帶晶片)、顯示卡、遊戲PC、適配器、充電頭,以及行動電源等。

而這次Yuan主要介紹的是一款USB-PD電源完整解決方案——EZ-PD PAG1,這是一個完整的AC/DC供電解決方案,目的是打破傳統PD充電器設計思路,從而實現「USB-C驅動一切」。

EZ-PD PAG1為雙晶片USB-C供電解決方案,將主要的一級、二級及USB PD控制器元件整合在一起。所有控制,包括初級控制器(PAG1P)都由次級控制器(PAG1S)控制,可以有效提升設計效率,並且次級控制回路使負載動態回應更快(3ms以內),系統穩定性好。

同時,單晶片次級晶片 PAG1S整合了同步整流控制器(SR),支援動態開關模式,內建MCU可靈活控制初次級兩端MOSFET。初級晶片PAG1P可透過一個小變壓器接收次級IC發出的PWM控制訊號,並在次級IC PAG1S的控制下實現初次級兩端MOS同步。

PAG1具備可程式設計性,支援多種充電標準,包括:PD3.0 (PPS)、QC4/4+、Apple Charging、QC 3.0/2.0、三星AFC和BC 1.2。

USB-C是一種新的連接標準,可在為不同設備同步供電的同時,利用同一根電纜和標準的正反通用連接器來傳輸資料。據IHS Technology的報告預測,現在所有使用USB的設備都可能統一為Type-C。

Yuan表示,USB-C可以提供高達100W的功率輸出,並可透過同一埠支援不同的介面標準。隨著越來越多的設備趨向於採用同一個充電器或電源適配器來充電,笨重的各類專用電源適配器也將不再是必需品,以後出門隨身只用帶一個USB-C電源就可以。

本文為EE Times China原創文章