茂睿芯应用方案：65W PD快充解决方案

发布时间：2023-05-23 11:26
作者：Ameya360
来源：网络
阅读量：2366

　　随着移动设备的智能化提升，移动设备的运算能力也是按照摩尔定律在逐年增长。移动设备对功率的需求也是水涨船高，为了能够更快更高效地将移动设备充满电，各手机和PC厂相继推出了多种快充协议，其中PD作为兼容性最广的协议，更是被广泛采用。Meraki 借助自有的PWM控制器和SR控制器开发了65W PD 快充整体解决方案。

　　茂睿芯参考设计:

　　该65W PD快充方案功率级部分是基于MK2687+MK1808。其中MK2687是CCM/QR/DCM多模态PWM控制器，Vcc耐压高达110V，针对PD的宽范围输出无需额外的辅助绕组。MK1808是高速同步整流，有效支持CCM，其10ns的关断延迟保证系统进入CCM时开关应力也很低。

　　方案原理图

　　茂睿芯应用方案：65W PD快充解决方案

　　方案实物图

茂睿芯应用方案：65W PD快充解决方案

　　茂睿芯方案参数:

　　Demo size:长63mm*宽30mm*高19mm

　　Input: 90Vac~264Vac

　　Output: 3.3V~15V3A，20V3.25A

　　Efficiency (Avg.): 91.6% at 115Vac, 92.1% at 230Vac

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　　一、背景　　氮化镓(GaN)凭借着高效率、高功率密度和快速开关的优势，在消费类(快充、手机、LED)、汽车激光雷达、数据中心等领域迅速崛起。据TrendForce《2023 GaN功率半导体市场分析报告》显示，全球GaN功率元件市场规模将从2022年的1.8亿美金成长到2026年的13.3亿美金，复合增长率高达65%。在快充领域，Trendforce预计2025年氮化镓的渗透率也将超过50%。从技术演化的角度来看，在65W以下的快充和适配器领域GaN驱动技术经历了几个阶段：　　1、初期：　　使用硅基驱动器配合外部电路驱动GaN　　2、过渡期：　　采用专用的GaN PWM控制器驱动GaN　　3、当前主流：　　65W以下广泛采用PWM控制器与GaN集成的技术　　然而，随着技术的不断发展，业界仍然面临着一些挑战：　　1、驱动问题：　　由于GaN的特性，驱动器的设计和驱动电路的布局变得非常关键。必须确保安全、高效的驱动方式，以避免驱动震荡引起可靠性和EMI问题。　　2、散热问题：　　系统在低电压输入(Low Line)时的散热瓶颈，需要进一步提升效率。　　3、集成度问题：　　进一步缩小体积，提高集成度，以满足小型化需求。　　为了应对这些挑战，业界已经采取了一些技术措施：　　1、设计专门的GaN PWM驱动器，并和GaN集成以最小化驱动环路;　　2、引入电流无损检测电路;　　3、提高集成度，将GaN驱动器、GaN功率器件和无损电流检测集成在一起。　　二、五合一GaNControlTM PWM 芯片：MK2706　　在这样的行业背景下，茂睿芯推出了集成化程度更高的五合一GaNControlTM PWM 芯片MK2706，进一步提升了集成度和功率密度，并且实现：无损检测、安全驱动。　　三、MK2706 核心功能　　准谐振(QR)PWM控制器　　GaN驱动器　　GaN功率器件　　宽范围单VCC供电(8V-85V)　　电流无损检测电路　　MK2706是基于茂睿芯广受客户认可的四合一MK2789系列产品开发而成。MK2789系列已经集成了QR PWM控制器、驱动器、GaN功率器件和宽范围VCC供电。新一代产品MK2706在此基础上，最终实现高效率、高功率密度、高可靠性和低成本的PD解决方案。　　四、MK2706 产品优势　　1、节省损耗　　显著提高Low Line工作效率：在65W@90V输入条件下，效率提升0.3%-0.4%;　　90V输入时的热管理更加容易。　　无损检测节省损耗和对效率影响计算：　　节省采样电阻功耗，按65W计算，90V输入Ip_rms≈1.1A，Rcs=250mR，可节约Rcs损耗300mW;　　当前65W 90V输入效率约92.5%，输入功率约为65/92.5%=70.27W;　　效率提升=(65/(70.27-0.3))%-92.5%=0.39%。　　2、安全驱动　　驱动路径大幅缩短，减少了驱动回路寄生电感和寄生电容的影响;　　创新性地集成了米勒钳位电路，进一步提高了驱动的可靠性和效率。　　3、简化外围电路设计　　宽范围VCC供电(9V-85V)，对于PD调压输出(3.3V-20V)，也可省去VCC LDO供电电路;　　无损电流检测部分不需要外供电或者VCC电容，进一步简化外围设计;　　整个芯片外围器件非常少，节省加工成本。　　五、MK2706 系统板实测　　为了验证GaNControlTM技术的实际表现，我们进行了系统板测试：　　1、原理图与PCB布局　　整个ACDC功率级原边只有11个贴片电阻、7个贴片电容。贴片原件都放置于PCB背面，外围电路十分简单明了。　　2、效率测试　　MK2706 输入电压90V时满载效率可达93%　　结语　　秉承"关注客户需求，寻求客户满意"的服务宗旨，茂睿芯始终致力于开发能够真正帮助客户的产品，这款65W集成GaN 的AC/DC转换器MK2706的设计初衷正是为了让客户能够更省钱、省事、省心!　　茂睿芯坚信具有无损检测、安全驱动的高度集成五合一芯片方案将进一步推动PD快充工程技术发展。我们将以MK2706为起点持续挖掘客户需求，坚持创新，推出更多实惠、高效且可靠的芯片产品!
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　　为高效赋能两轮电动自行车、AGV、机器人和园林电动工具等电池管理系统(BMS)的加速发展，茂睿芯推出了至简外围、低功耗的系统方案MK9816。应用MK9816 Iso-Buck的隔离侧(次边)输出，可以节省传统E-Bike BMS中所需的隔离模块，可无需外围环路补偿电路，提供更精简的解决方案。　　MK9816支持110V输入，0.6A输出，同时集成30mA预调整LDO，在系统待机时给MCU供电使用，降低系统功耗和物料成本;可配置PFM的频率，在保证次边输出带载能力的同时，避免了工作于FCCM的传统Iso-Buck轻载系统效率偏低问题。其内置低导通阻抗的高边和低边功率MOSFET，效率高达91.5%@IOUT=400mA;同时带多种保护功能，为系统性能、产品可靠性提供保障。　　一、MK9816产品特征　　·宽输入工作电压范围：7V-100V　　·VIN、SW、EN管脚绝对耐压高达110V　　·<10uA的关断电流　　·常使能预调整LDO(Vcc pin)输出电压：9V@0mA~5.5V@30mA　　·可配置的工作模式：　　—强制连续导通模式(FCCM)　　—脉冲频率调制模式(PFM)，PFM模式下零电流时间(TZC)可调　　·集成软启动电路　　·不需要外部环路补偿电路　　·集成700mΩ高边MOSFET和350mΩ低边MOSFET　　·VCC支持VOUT返回供电　　·保护功能：　　—输入欠压保护、输出欠压和过压保护　　—过流保护、过温保护　　二、MK9816封装及引脚功能　　1、MK9816 引脚封装图　　2、MK9816 引脚功能定义　　三、MK9816典型应用框图　　四、MK9816典型波形　　1、PFM和FCCM输出纹波　　测试条件：       (1)PFM模式，IOUT=0.1A，RMODE=47kΩ;       (2)FCCM模式，IOUT=0A，RMODE=2MΩ。　　PFM模式输出纹波                        FCCM模式输出纹波　　2、瞬态响应　　MK9816采用恒定导通时间 (COT) 控制架构，可实现出色的瞬态响应。测试条件：VIN=48V，VOUT=10V，IOUT=0.1~0.6A，di/dt=1.6A/us，duty=50%，L=47uH，COUT=20uF。　　3、原边和次边短路保护　　原边短路保护和恢复                        次边短路保护和恢复　　五、MK9816产品优势　　1、简单、低功耗的解决方案　　应用MK9816 Iso-Buck的隔离侧输出，可以节省传统E-Bike BMS中所需的隔离模块;内置5.5V 30mA LDO，系统待机时给MCU供电，降低系统功耗。　　2、PFM模式ZC时间可调　　通过配置MODE管脚的下拉电阻，可调节工作模式以及PFM模式下的零电流时间(TZC)，实现轻载高效且使开关频率高于人耳可听范围，以避免噪声。　　MODE管脚配置与工作模式的对应关系　　3、高效率　　MK9816集成低导通阻抗的高边和低边功率MOSFET，且通过配置MODE管脚电阻值可实现TZC可调，所以不仅可实现重载高效，也可实现轻载高效。　　测试条件：　　(1)VOUT=10V，工作在FCCM模式下，不同输入电压的效率曲线;　　(2)VOUT=10V，不同工作模式、不同TZC的效率曲线。　　不同输入电压下的效率曲线                    不同工作模式的效率曲线　　4、Vcc支持VOUT返回供电　　MK9816 Vcc管脚支持输出返回供电，使用VOUT返回供电给VCC，有利于提升0.3A负载以下的效率，效率可提升3%~5%。　　测试条件：　　VIN=48V，VOUT=10V，FCCM模式，VCC是否使用VOUT返回供电效率曲线。　　5、集成软启动电路　　MK9816集成了内部软启动电路，可避免上电启动过程中的输出电压尖峰以及电感电流的尖峰，有效降低启机过程中的电压和电流应力，确保系统可靠性。　　六、典型应用场景　　七、茂睿芯DCDC系列选型表
2024-08-12 09:02 阅读量：461
茂睿芯MK2554系列，高性能CCM PFC控制器
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茂睿芯MK2554系列，高性能CCM PFC控制器

　　茂睿芯推出高性能CCM(Continuous Conduction Mode) PFC(Power Factor Correction)控制器MK2554系列产品，这是继2023年推出CrM PFC控制芯片MK2562系列(新品发布 | MK2562系列，高性能CrM PFC控制器)之后，再次推出的电源管理类精品芯片。MK2554系列产品能广泛应用于300-2000W级别的中大功率供电场景，如智能家电、高性能计算机、工业电源、电机驱动、电源适配器等。　　高频有源功率因素校正技术(PFC)作为一种有效的电力电子技术手段，能显著提高电力电子产品的功率因数，减少谐波污染，提高电网的质量，是当今用电设备节能的一个重要考虑因素。MK2554作为使用CCM控制方式的芯片产品，能有效提高功率因素，提升用电设备的产品性能!　　一、MK2554封装引脚图　　二、MK2554产品特征　　11-30V的VCC宽电压输入范围　　<70uA极低的静态电流　　负载动态响应增强　　频率抖动　　软启动　　抗扰度强　　1、11-30V的VCC宽电压输入范围　　MK2554的输入电压范围较宽，能应对复杂的电压变化场景，输入电压在11-30V范围内均可正常工作，当输入电压超过15.5V时，DRV高电平电压会被钳位到15.5V。　　2、<70uA的极低静态电流　　MK2554启动前，启动电流极低(<70uA)，能极大地降低待机功耗。　　3、负载动态响应增强　　当输出负载功率从0到1kW跳变时，Vc引脚电压迅速爬升，环路快速得到响应，最终在1.5个工频周期内达到新的稳态，从而使应用了MK2554的各电源类产品能够快速响应负载的变化，提高整个系统的稳定性，延长其设备寿命。　　4、频率抖动　　MK2554能在基准频率上下周期性地抖动来减小由驱动信号产生的电磁干扰，具有高效且可靠的特点。　　下图为MK2554系列EMI测试结果，左边是未加入抖频(MK2554)EMI测试结果，右图为加入抖频(MK2554A)EMI测试结果，可以看出加入抖频后噪音明显下降，在30MHz频率以下裕量更大。　　5、软启动　　下图为MK2554系列产品的软起动波形图，可以从图中清晰看到，当输入交流电压为220V、负载功率为600W时，电感电流(粉红线)逐渐上升，输出电压也逐渐上升，平滑启机，并未出现过冲。　　6、抗扰度强　　经过多次浪涌抗扰度测试，MK2554系列产品的CS脚能承受-3V电压以及4kV浪涌抗扰度实验。　　以下图MK2554浪涌抗扰度测试波形图为例，在雷击浪涌测试过程中，当输出电压Vout过压，会触发OVP保护，芯片则停止发波，而当雷击浪涌停止后，芯片则继续发波，正常工作。　　三、MK2554在不同负载下的电流波形展示　　装有MK2554芯片样机在不同负载下的会产生不一样的电流波形图，在输入交流电压为220V的同等条件下，功率较大时(600W)，输入电流正弦波。　　四、 弱电网工况模拟测试　　实验方法：串联AC源到被测电源总长约200米的14号线寄生参数测量数据：1.2Ω、8mH下图是模拟弱电网工况在220VAC输入电压负载600W满功率的测试，MK2554控制的PFC系统输入电流能稳定可靠运行，与正常未串联电感的情况基本一致。　　五、典型应用　　六、MK2554系列芯片选型表　　七、MK2554 VS MK2562　　通常PFC电路有两种工作模式：连续导通模式(CCM)和临界导通模式(Critical Conduction Mode，CRM)。CrM模式控制简单，电感上电流峰值较高，检测到输入电流过零时，驱动电压置高，打开开关管，检测到输入电流等于电流包络线值时，驱动电压拉低，关闭开关管，在300W以内的小功率场合十分适用。CCM模式输入电流连续，电流纹波小，适用于300W以上的中大功率场合。MK2562作为CrM PFC控制器，普遍适用于小功率(<300W)应用场景，而MK2554做为CCM PFC控制器，则适用于中大功率(300-2000W)应用场景，真正做到全功率段覆盖，帮助用户设计出更合适的产品。　　八、MK2554应用方案　　1、高电压负载　　MK2554通常可将PFC输出电压设计到390V，后级可搭配逆变电路，例如交流电机驱动等。　　2、低电压负载　　PFC(MK2554)+LLC(MK2189/MK2199)+SR(MK1620/MK1170)，可给低压大电流负载供电，例如LED照明等。MK2554系列芯片是用于提高交流输入功率因数的CCM PFC控制器芯片，具有高集成度，高可靠性，低功耗等特点，可广泛运用于智能家电、高性能计算机、工业电源、电机驱动、电源适配器，也可搭配多种产品形成不同应用场景解决方案，供电于低压大电流负载。
2024-05-08 13:14 阅读量：686
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