USB PD+TYPE -C快充电源中MOSFET选型

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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18W、25W、30W、45W、65W；输出电压有5V、9V、12V、15V、20V。（100W、120W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：

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）。这部分应用的常用料号如下表：

 

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	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60V、80V、100V、120V以及150V，常用的是60V、100V、120V和150V。具体值是根据输出电压来决定的，比如说如果只有5V、9V档输出，一般情况下60V耐压值足够；如果输出电压包含12V、15V、20V,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,一般内阻在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G、S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*6，SOP-8，TO-220，TO-252，TO-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	内阻 @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600V、650V、700V，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）