解决方案 | 智融全新超薄氮化镓多口充方案SW3556

2022-03-15 19:20:44 业界动态

在多口快充电源市场中,智融科技有着绝对的话语权,这主要得益于近两年多口充电器盛行,智融科技首创了动态功率调节技术,旗下SW351x系列芯片也因此一炮而红,成为多口快充市场中的明星产品,被广泛应用于氮化镓快充、百瓦级大功率快充等产品中。

智融SW351x系列最大可以支持100W输出功率,满足了当前市场的大部分多口快充应用场景。不过随着大功率电源产品逐步增加,多口快充电源的输出功率也亟待提升。为此智融科技继续发挥其在多口快充领域的技术优势,推出了新一代多口快充芯片SW3556,该芯片可实现单口最大140W快充输出,并且无需外置MCU即可支持两路USB-C接口控制,实现了更精简的电路设计。

近日智融科技基于SW3556芯片推出了一套全新的65W超薄三USB-C口快充方案,下面充电头网就为大家带来这套方案的详细评测。

一、智融65W三口氮化镓快充方案外观

智融65W三口氮化镓快充方案采用了超薄设计,主要应用了两块PCB板,主PCB板上居中布置了平面变压器,三颗高压电解电容均采用卧置,并在输入端时预留了折叠插脚的空间;输出端采用了一块副PCB板,用于焊接三个USB-C接口;通过次级侧的两个电感线圈可知,这套方案采用了两路独立二次降压电路。

主PCB板背面为AC-DC控制电路以及DC-DC控制电路,并在输入端印有智融的品牌logo。

实测整个PCB板的长度约为80.41mm。

宽度约为46.26mm。

厚度约为11.31mm。通过计算,智融这套65W三口氮化镓快充方案的功率密度约为1.54W/cm³,套上外壳后,成品功率密度有望达到1W/cm³以上,这对于三口快充电源而言,十分难得。

输入端设有一颗3.15A 250V延时保险丝。

来自沃尔德的软桥,型号WRLSB80M,用于将交流电转换成高压脉冲直流电。

输入端三颗高压电解电容均采用的是永铭KCX系列,两颗400V 33μF,一颗400V 27μF,并联在一起,用于整流桥后级滤波,此外还有电感滤除EMI干扰。

智融65W三口快充方案的AC-DC部分采用了高频QR反激拓扑电源架构,并选用了安森美NCP1342+MPS MP6908A的经典控制器组合,初级侧搭配了一颗氮化镓功率器件,来自GaNext镓未来,型号G1N65R240PB,次级侧同步整流搭配的是锐骏MOS管。

次级侧采用了三颗25V 220μF固态电容并联以及一颗电感,用于同步整流输出滤波。

输出端的三个USB-C接口均为立式结构,垂直焊接在副PCB板上。

输出端采用智融SW3556作为协议识别和降压控制器,这颗芯片用于其中两颗接口输出控制。智融SW3556是一款支持多快充协议的双USB-C口降压控制芯片,支持双口功率盲插,支持双口独立限流。内置7A大电流同步降压转换器,兼容PPS、PD、QC、AFC、FCP、SCP、PE、SFCP、TFCP等多种主流快充协议,可实现最大20V7A 140W输出,同时支持CC/CV模式,双口管理逻辑以及双芯片动态功率分配,应用时仅需少量的外围器件,即可组成完整高性能的多协议双C口充电解决方案。

智融SW3556规格资料。

两颗外置MOS管,来自禾纳半导体,用于搭配SW3556实现降压操作。

两颗同型号的MOS管,用作接口VBUS开关管。

次级侧另外一端的角落同样设有一颗智融SW3556芯片,用于另外一个接口的降压控制和输出协议识别功能。

同型号的降压MOS,主PCB板另外一面还有一颗。

二、智融65W三口氮化镓快充方案评测

以上介绍完智融65W三口氮化镓快充方案的基本架构和芯片用料分析,下面继续为大家带来这套方案的详细性能测试。性能评测主要分为协议和PDO报文、充电兼容性测试、充电全程测试、待机功耗测试、转换效率测试、纹波测试、温升测试等。

协议测试和PDO报文

使用ChargerLAB POWER-Z KT002检测其中一个USB-C接口的输出协议,显示支Apple2.4A、三星5V2A、DCP协议,以及QC3.0/2.0、AFC、FCP、SCP、PD3.0等多种主流快充协议。

继续测得其PDO报文,显示支持5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V3.25A五组固定电压档位以及3.3-21V3.25A的PPS电压档位。

再来看中间USB-C接口的输出快充协议,测试结果与前面保持一致。

中间接口的PDO报文也保持不变。

第三个接口的输出协议与前两个接口保持完全一致。

PDO报文也一样。

经过测试,智融65W三口氮化镓快充方案的三个接口输出性能完全一致,不仅兼容了市面大部分主流快充协议,而且在单口输出时,均可实现最大65W功率,支持盲插功能。

充电兼容性测试

兼容性测试环节可以清楚地得知充电器为各个设备的充电情况,面对现在用户手里的电子设备越来越多,常规的单口充电器已经无法满足需求。试想一下,插座上插3个单口充电器与插一个多口充电器哪个更好一些,很明显是后者。

加上现在很多设备对于充电器触发快充需要触发快充协议才可实现快充(对暗号),所以设备插哪个口能快充也是一门学问,这是评测中增加充电兼容性测试模块的原因;而多口充电器在同时为多台设备充电时会涉及到功率分配的问题,45W+18W、45W+5V3A等等,这是评测中增加多口同时输出的原因。

综上,充电头网会使用数十款设备搭配充电器进行测试,为读者呈现真实的测试数据。

使用智融65W DEMO为iPhone 13 Pro Max充电,功率为9.23V 2.92A 27.02W。

为iPad Pro充电,功率为15.18V 2.10A 31.91W。

为华为MateBook充电,USB-C端输出20V高压,功率为20.19V 3.02A 61W。

此外,经实测智融65W DEMO还可以点亮Switch的底座TV模式,充电器端输出15V电压。

USB-C接口以及PD快充这股风同样刮到了电动工具领域,米家手枪钻配备了USB-C充电接口,并支持USB PD快充,使用智融65W DEMO为米家手枪钻充电,功率为9.19V 1.44A 13.25W。

将所有充电的数据汇总,对设备的快充兼容性不错。

柱状图可以清楚地看出设备充电功率的大小。

同时使用2个USB-C接口为两台手机充电,功率分别为7.38W和8.66W。

同时使用3个USB-C接口为三台手机充电,功率分别为17.1W、7.37W和8.11W。

充电全程测试

智融的这款65W DEMO,USB-C在单独使用时可以支持65W快充输出,这个功率已经达到为笔记本充电的阶段。而MacBook Pro 13标配的是61W PD充电器,对于 MacBook Pro 13来说65W也可以满足其快充需求,所以在充电全程测试模块选择了为MacBook Pro 13充电。

这是使用智融65W DEMO充MacBook Pro 13全程的数据变化,整体来看功率和电流呈阶梯式的下降状态,共分为4个阶段,于2小时20分充电结束。

将充电全程绘制成曲线图,可以很清楚的了解到充电器为电脑一段时间充入的电量,从曲线图可以看出,半小时充电37%,1小时充电68%,完全充满需要2小时20分。

充电全程测试小结

MacBook Pro 13标配的是61W PD充电器,而65W功率段的充电器很适合为MacBook Pro 13充电,无论从充电全程的数据变化还是曲线图来看,智融65W DEMO都可以满足MacBook Pro 13的快充需求。

待机功耗测试

充电器如果经常插在插座上不使用也是会耗电的,只不过非常小而已。很多读者都想知道充电器如果一直插在插座上是否浪费电,待机功耗测试环节就是为了解答这个问题。

经过功率计测试,充电器在220V 50Hz的空载功耗为0.177W,换算下来一年损耗的电能约为1.55KW·h,若市价电为0.6元/KW·h,则充电器一年的电费约为0.93元左右。

110V 60Hz时的空载功耗为0.123W,换算下来,一年损耗的电能约为1.07KW·h,若市价为0.6元/KW·h,则充电器一年的电费约为0.642元左右。

待机功耗测试小结

智融65W DEMO如果一直插在插座一年的电费都不超过1块钱,这个消耗还是非常低的。

转换效率测试

充电器本质上是一种转换设备,过程中会有损耗,以热量的形式散发出来。我们平时看充电器上面的参数输出100W或者65W是充电器可以为设备提供的最大输出功率,但充电器从插座上汲取的功率往往要更大一些,下面是充电器在220V 50Hz和110V 60Hz交流输入的情况下分别进行了转换效率测试,测试结果如下。

220V 50Hz下,将充电器在各个电压档位的输出功率拉满进行测试:四个档位测得插线板AC端输入功率和USB端输出功率,通过计算,可得充电器的转换效率从81.95%到90.14%不等。

110V 60Hz下,充电器的转换效率从84.27%到89.01%不等。

纹波测试

由于充电器中采用开关电源,变压器次级输出的并非直流电,需要经过整流和电容滤波输出,也就是充电器输出会存在纹波。充电头网采用示波器测试充电器输出的纹波值,与国家标准进行比对,检测充电器的输出质量。纹波越低,充电器的输出质量就越高。

这是使用充电器在220V 50Hz交流输入下的纹波测试,纹波测试分为空载(柱状图中Y轴电流为0A)和重载(柱状图中Y轴电流为非0A)两种,最高为352mVp-p,充电器处于20V3.25A输出状态;最低为130mVp-p,充电器处于12V0A空载状态。

110V 60Hz下最高为266mVp-p,充电器处于20V3.25A输出状态;最低为62mVp-p,充电器处于15V0A空载状态。

温升测试

前面提到充电器工作时会涉及到效率转换的问题,其中的损耗电量绝大多数以热量散发,所以充电器长时间工作的发热情况也是测试的重要一环。让充电器以20V3.25A 65W功率持续输出一小时,采集充电器表面温度,实验全程将充电器置于25°C恒温箱当中。

110V/60Hz输入情况下,1小时后使用热成像仪拍摄DEMO表面的最高温度为120℃。

另一侧的最高温度为120℃。

充电头网总结

智融最新推出的这套65W三口快充方案基于氮化镓功率器件开发,并用还采用了平面变压器,借助高频高效的特性,实现了超薄的机身设计,整个方案的AC-DC部分设计得非常紧凑;此外在次级侧通过两颗智融SW3556芯片实现两路降压和协议识别功能,无需外置MCU即可实现双路协调控制,高度集成的芯片设计同样实现了精简的外围电路,仅需搭配几颗降压MOS和VBUS开关管,减少PCB板占板面积。

在兼容性方面,这套方案保持着一如既往的全兼容风格,这也得益于智融SW3556芯片内部集成了市面上大部分主流的充电协议,同时两颗芯片可以协同实现功率智能分配,满足任一单口输出65W、双口或三口输出功率智能分配,实现了对电源功率的充分应用。

转换效率方面,虽然该方案采用了二次降压输出,但得益于氮化镓技术的应用,所以无论是在110Vac还是220Vac输入时,65W满载输出效率均达到了89%-90%,相较于传统方案而言,发热更小,更利于轻薄型快充电源设计。

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关于智融:

珠海智融科技股份有限公司成立于2014年底,总部位于广东珠海,全国设有深圳、上海、成都等多个分公司。智融科技是国内领先的数模混合SoC芯片设计公司,核心研发团队均毕业于国内外知名学府,拥有丰富的半导体行业从业经验。智融科技多年来深耕模拟芯片,在有线快充、无线快充、低功耗高效率电源管理IC等技术领域拥有独家专利,在消费电子及3C配件市场占有率名列前茅,合作伙伴包括华为、OPPO、联想、公牛、ANKER、ASUS等海内外一线品牌。

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