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东微超级硅65W PD快充DEMO评测:高密度,效率近94%

发布时间:2020-05-26来源:

东微超级硅65W快充DEMO的印象就是元器件布局很紧凑、体积非常小。同时这套DEMO的设计也很美观,与成品充电器的PCBA很接近。

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DEMO板主体由三块PCB板焊接组成,底部为主控PCB板,正面设有变压器以及输出滤波电容;输入端的PCB主要设有输入滤波及整流电路;输出端则是一块协议小板。由于是DEMO,正面的元器件之间并未注胶。

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东微超级硅65W PD快充充电器采用ACF拓扑结构。从PCB板背面来看,初级侧设有两颗高压MOS以及两颗控制器;低压侧设有同步整流芯片和同步整流MOS管。光耦反馈,并在高压侧和低压侧之间有镂空隔离设计。

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来自TI德州仪器的UCC28780初级控制器,其工作频率可达1MHz,远高于常见民用开关电源频率,同时符合日渐严格的能耗及效率标准,内置多种保护功能。

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东微超级硅系列高压MOS管OSS65R340JF,具有超级硅系列产品极低的驱动损耗和开关损耗的特性,尤其在更高频率400KHz条件下效率依然与氮化镓功率器件保持一致,效率非常高,可以满足高能效要求。

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东微OSS65R340JF规格资料。

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另一颗控制器采用安森美NCP51530B,这是一款700V高压侧和低压侧驱动器,具有3.5A输出和3A吸收电流驱动能力,适用于交直流电源和逆变器。NCP51530在高频工作时提供佳的传输延迟、低静态电流和低开关电流,该芯片专为高频工作的高效电源而设计。NCP51530有两个版本,NCP51530A/B。NCP51530A具有典型的60 ns传播延迟,而NCP51530B具有典型的25 ns传播延迟。

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另一颗高压MOS为东微OSG65R900DF,其采用先进的GreenMOS技术,提供低RDS(ON)、低栅极电荷、快速开关和优异的雪崩特性,适用于有源功率因数校正和开关电源应用。

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东微OSG65R900DF详细规格资料。

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与苹果30W充电器相比,东微超级硅65W PD快充DEMO的功率翻了一倍,而体积却更小。

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与苹果61W充电器相比,东微超级硅65W PD快充DEMO体积仅相当于其三分之一左右。

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东微超级硅65W PD快充充电器DEMO的到底有多小?在这里粗略测量了裸板的尺寸,分别为:51mm(长)*39mm(宽)*23mm(高),整体体积约为45.75m³,换算成功率密度约为1.42W/cm³,功率密度相当高,与时下热门的氮化镓快充产品尺寸相当。

在了解完东微超级硅65W PD快充充电器DEMO的外观结构之后,充电头网也对这款产品的性能进行了评测,下面继续来看这套方案的评测内容。


2、充电测试兼容性

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首先使用东微超级硅65W快充充电器DEMO板给iPhone SE充电,显示电压8.96V,电流1.3A,功率约为11.7W,成功进入USB PD快充状态。

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给iPhone 11 Pro Max充电,显示电压8.92V,电流2.51A,功率约为22.47W,成功进入USB PD快充状态。

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给三星S10+充电,显示电压8.95V,电流1.62A,功率约为14.54W,成功进入USB PD快充状态。

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给小米9充电,显示电压8.95V,电流1.48A,功率约为13.26W,成功进入USB PD快充状态。

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给苹果MacBook Pro充电,显示电压19.95V,电流2.86A,功率约为57.23W,成功进入了USB PD快充状态。

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为100W快充移动电源充电,显示电压19.95V,电流3.21A,功率约为64W,成功进入USB PD快充状态。


3、效率测试



本次效率测试主要选用的测试设备为POWER-Z KM001C测试仪、逐瑞功率计、VICTOR 86E万用表以及电子负载。

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首先将东微65W超级硅DEMO板接上功率计,USB-C输出接口连接POWER-Z KM001C诱骗至指定电压并通过电子负载恒流输出。为了得到更精准的测试数据,在测试中同时使用万用表测量板端电压,并提前对POWER-Z KM001C测试仪在不同电压下的待机功耗进行了测量,结果如下表:

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以下是基于230V AC电压输入,并分别以5V/3A、9V/3A、12V/3A、15V/3A、20V/3.25A五种不同电压满载模式输出的数据:

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在5V/3A负载模式下,输入端测得功率为17.62W,减去POWER-Z KM001C功耗0.1W,板端实际输入功率约为17.52W;万用表测得东微65W超级硅DEMO的板端输出电压为5.14V,电流3A,计算得出板端输出功率约为15.42W,板端效率约为88.01%。

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在9V/3A负载模式下,输入端测得功率为29.35W,减去POWER-Z KM001C功耗0.16W,板端实际输入功率约为29.19W;万用表测得板端输出电压为9.02V,电流3A,计算得出板端输出功率约为27.06W,板端效率约为92.70%。

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在12V/3A负载模式下,输入端测得功率为39.03W,减去POWER-Z KM001C功耗0.22W,板端实际输入功率约为38.81W;万用表测得板端输出电压为12.03V,计算得出板端输出功率约为36.09W,板端效率约为92.99%。

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在15V/3A负载模式下,输入端测得功率为48.74W,减去POWER-Z KM001C功耗0.28W,板端实际输入功率约为48.46W;万用表测得板端输出电压为15.05V,计算得出板端输出功率约为45.15W,板端效率约为93.17%。

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在20V/3.25A负载模式下,输入端测得功率为69.92W,减去POWER-Z KM001C功耗0.4W,板端实际输入功率约为69.52W;万用表测得板端输出电压为20.07V,电流3.25A,计算得出板端输出功率为65.23W,板端效率约为93.84%。

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通过测试数据可以看到,东微超级硅65W 快充充电器DEMO板在5V/3A模式下的板端效率为88%,当进入9V或9V以上的快充模式后,板端效率都在93%左右,20V/3.25A 65W满载输出时的板端效率接近94%。


4、温升测试


温升测试测试中,首先测试了东微超级硅65W PD快充DEMO板的初始温度,然后分别以9V/2A( 18W)、20V/2.25A(45W)、20V/3.25A(65W)三种常见的输出模式对搭载东微超级硅的65W快充充电器DEMO进行负载测试。三种模式均在室温25℃的环境中带载3小时,然后使用FLIR红外热成像仪检测DEMO板正面和背面的温度。结果如下:

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东微超级硅65W PD快充DEMO板正面初始高温度约为30.3℃,背面高温度约为29.2℃。

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首先以9V/2A(18W)模式带载3小时,FLIR红外热成像仪显示PCB板正面的高温度出现在变压器的位置,约为59.6℃,板子背面的高温度约为53.6℃,高温升29.3℃。

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在以20V/2.25A(45W)模式带载3小时后,PCB板正面高温度约为87.3℃,背面高温度约为76℃,高温升57℃。

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后是20V/3.25A( 65W)满载三小时,测得正面高温度为95℃,背面高温度为90.9℃,高温升64.7℃。


总结:

近年来消费者对高功率密度快充配件的需求日益旺盛,具备大功率、高密度USB PD快充电源成为市场新宠,发展迅速。东微半导体借此契机,推出超级硅系列MOSFET,开关频率可达到1MHz以上,媲美氮化镓功率器件,有助于大功率快充产品以较低的成本实现高功率密度,提高竞争力。

东微半导体基于超级硅开发的65W PD快充DEMO板具备小体积、大功率、高效率等特点。充电头网实测裸板尺寸仅51mm*39mm*23mm,功率密度达到了1.42W/cm³,在同功率级别的快充方案中,处于领先水准。

进一步测试得知,该DEMO板支持USB PD3.0快充标准,在给iPhone、小米9、三星S0+、MacBook Pro等主流产品充电时,均可正常进入USB PD快充状态。效率方面,在230V AC输入的情况下,板端效率高可达到94%,高效率有效减少发热量。温升方面,在没有任何辅助散热措施的前提下,板端18W、45W、 65W三种负载模式均有不错的表现。

目前市面上量产的高功率密度快充方案普遍基于氮化镓功率器件开发,虽然获得广大消费者青睐,但成本也相对较高;而东微超级硅同样实现了媲美氮化镓快充的开关速度、高功率密度、高效率等特性,让人眼前一亮。

东微半导体作为一家技术驱动型的半导体技术公司,在半导体核心技术的器件领域有深厚的技术积累,专注半导体器件技术创新,拥有多项半导体器件核心专利。据了解,东微旗下GreenMOS系列产品是国内早量产并进入工业级应用的高压超级结产品系列,在国产品牌中占有领先地位,广泛应用于充电桩模块,通讯电源等大功率应用领域。



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