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[原创] USB PD+TYPE -C快充电源中MOSFET选型

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一粒金砂(初级)

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发表于 2020-6-30 14:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

           

USB PD全称为USB Power Delivery,是由USB-IF组织制定的一种快速充电协议,也是目前市场非常看好的一种协议,可以支持输出功率高达100W;Type-C是一种接口规范,能够支持传输更大的电流。USB PD应用市场不仅包含智能手机,平板电脑,笔记本电脑,游戏本,移动硬盘,数码相机,电动工具等传统领域,而且在未来的VR,智能家居等新兴领域也将有一席之地。多样化的应用场景带来了无限可能和商机。

目前市场上常见的PD 快充有18W25W30W45W65W;输出电压有5V9V12V15V20V。(100W120W也有一定的需求量,这个后面专门来介绍,此篇主要讲65W及65W以内功率段的,这个功率段的一般会用flyback拓扑来做,超过这个功率段的所用的拓扑结构不一样,MOS管选型将有很大的差异)。

首先,我们看下面PD快充原理图:

图片1.png

由上图可以看到, PD快充电源中有3个地方会用到MOSFET,红色箭头位置,初级主芯片PWM开关管(Q1),次级同步整流管SR(U2),次级输出控制开关Vbus(Q3)。初级会用到高压MOS,次级用到低压MOS。我们分别来讲讲这三个地方所用MOS管应该注意哪些方面。

1、次级输出开关控制Vbus

   该位置无开关频率,作用是控制输出端的通与断,对MOS管的要求是低导通内阻,小封装。P管和N管都会用到,用P管还是N管主要看协议芯片定义的是P管还是N管。导通内阻Rds_on一般在2mR-20mR,耐压值Bvdss一般选取30V或者40V足够,常用的是30V。封装形式用DFN3*3,SOP-8,DFN5*6(相对较少,应用在输出电流较大的场合)。这部分应用常用料号如下表:

 

料号

   内阻@10V(Typ)

封装

终端应用/功率段

G10P03

P-MOS -30V 20Mr(4.5V)

DFN3*3

PD开关控制(18W-24W)

G12P03A

P-MOS -30V 13mR

DFN3*3

PD开关控制(18W-24W)

G16P03

  1. MOS -30V 11.5/10mR

DFN3*3/SOP-8

PD开关控制(18W-30W)

G18P03

P-MOS -30V 7.1mR

SOP-8

PD开关控制(18W-45W)

G16N03

N-MOS 30V 7/6.7mR

DFN5*6/SOP-8

PD开关控制(18W-24W)

G30N03

N-MOS 30V 5.2mR

DFN3*3

PD开关控制(18W-45W)

G48N03

N-MOS 30V 4.2mR

DFN3*3

PD开关控制(30W-65W)

G50N03

N-MOS 30V 3.5/5.5mR

DFN5*6/TO-252

PD开关控制(45W-65W)

G90N03

N-MOS 30V 3.5mR

TO-252

PD开关控制(45W-65W)

 

2、次级同步整流SR

该电路有很高的开关频率,一般是50-80KHZ,高的甚至达到上百KHZ的频率,峰值电流和电压都比较大,所以对MOS管有以下要求:1低导通内阻;2低结电容;3较强的Eas能力。对于18W-30W快充,一般MOS管都是集成到同步整流芯片里面去的(苹果的快充都是选择外推的形式,这种形式对于可靠性和温升会更好)。30W-65W这个功率段,同步整流MOS一般会选择外推的形式来做。这块应用,对于MOS管可以从以下几个方面来选取A耐压值的选取:一般选取的规格有60V80V100V120V以及150V,常用的是60V100V120V和150V。具体值是根据输出电压来决定的,比如说如果只有5V9V档输出,一般情况下60V耐压值足够;如果输出电压包含12V15V20V,那至少选取100V以上耐压,这个都是根据实际的电路拓扑结构和输入电压范围得出的(输入电压范围,变压器漏感,匝比,工艺,电路拓扑,吸收电路,开关频率等都会影响到这个尖峰值);B导通内阻选取:一般会选择3mR-15mR不等,根据功率来分,18W-30W,一般内阻9-12mR不等;30W-45W,一般内阻在6mR-10mR不等,45W以上,3mR-7mR不等。这里需要说明的是,不同的封装,同样的晶圆,所能支持的功率也不相同。就拿GT52N10这颗料来说,DFN5*6能够支持的功率在30W到45W,但TO-220封装的能支持的功率能达到65W(特殊要求除外,比如说结构很紧凑的)。当然,客户产品空间大小,散热条件等这些都会影响到内阻的选取。总而言之,内阻的选取是能效,温升,还有性价比的综合考量;C开启电压Vth选取:理论上来讲,开启电压典型值在1.5-2V是比较理想的,是因为要考虑5V输出的时候要保证MOS管工作在饱和状态,而PD快充输出电压又会有5V输出。特别要强调的是,对于Vth开启电压这个参数,很多工程师都有一个误区,觉得只要给到的驱动电压达到规格书上标称那个值就可以了,实际上这是一个很大的错误。我们要从开启电压的定义来看就不难理解了:Vth指当DS通过250uA电流时,加在GS两端的电压,这个值就是开启电压。也就是说此时MOS管的负载电流只有250uA,而实际应用情况是电流会远大于250uA,如果给的驱动电压不够,管子将处在放大状态,很容易导致热击穿。一般建议Vgs给的电压在典型值2.5倍以上,基本可以让管子处在开关状态。市面上我们也会看到很多在这块应用的MOS的开启电压典型值达到了3V但也能使用,为什么?这个就是由同步整流驱动IC来决定的高开启能不能用,取决于同步整流IC的驱动电压D.结电容的选取:PD应用这块因为功率比较小,一般都是选择Flyback反激这种拓扑结构来做,工作频率在50-80K不等频率不是很高,所以对结电容一般没有明确要求,当然,肯定不能太大。太大会增加开关损耗,那么电源的效率也会更低;结电容太小会影响EMI,所以需要折中考虑的,兼顾能效和EMI同步整流MOS主要用到的封装形式有DFN5*6SOP-8TO-220,TO-252TO-251等,不同的客户会选择不同的封装形式,并没有统一的,主要是看客户的产品的空间位置大小,价格等综合因素的考量。

同步整流应用常用料号如下表:

料号

@10V(Typ)

开启电压

Vth(Typ)

封装形式

终端应用/功率段

GT55N06

6.8mR

1.7V

DFN5*6

同步整流(5V-9V,18W-30W)

GT12N06

7.6mR

1.7V

SOP-8

同步整流(5V-9V,18W-24W)

GT52N10

7.5/6.7mR

1.6V

TO-220/DFN5*6

同步整流(12-20V,18W-65W)

GT15N10S

7.6mR

1.65V

SOP-8

同步整流(12-20V,18W-45W)

GT060N10

4.2/4.2/4.5mR

2V

TO-220/DFN5*6/TO-263

同步整流(12-20V,48W-90W)

GT045N10

4.1/4/4.1mR

2V

TO-220/DFN5*6/TO-263

同步整流(12-20V,65W-120W)

GT68N12

5mR

3V

TO-220

同步整流(12-20V,65W-120W)

GT125N15

10.5mR

3.3V

TO-220

同步整流(12-20V,45W-65W)

GT070N15

5.8mR

3.3V

TO-220

同步整流(12-20V,65W-120W)

 

3初级PWM开关管

PWM开关管的选取:高压MOS,一般会选择Coolmos电压有600V650V700V,主要是650V的。电流一般选取4A或者7A的,靠近100W的会选取11A的。电压的选取是要根据实际测试的效果来看,650V的居多,这个与变压器的设计有很大关系。电流的选取主要是看效率和温升的实际测试情况来做调整。例如以下Coolmos:

料号

内阻@10V(Max)

开启电压

Vth(Typ)

封装形式

终端应用/功率段

GC11N65

0.36Ω

3V

DFN5*6/TO-220/220F/252

PFC/Flyback/LLC(65W-120W)

GC11N70

0.39Ω

3V

TO-220/220F/252

Flyback(65W-100W)

GC20N65

0.17Ω

3V

TO-220/220F

PFC/Flyback/LLC(120-300W)

GC20N70

0.19Ω

3V

TO-220/220F

Flyback(100W-200W)

 

 

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