基于WAYON维安MOSFET高功率密度应用于USB PD电源

基于WAYON维安MOSFET高功率密度应用于USB PD电源由一级代理KOYUELEC光与电子提供技术选型和方案应用支持！

基于维安MOSFET高功率密度USB PD电源

随着智能手机应用场景越来越多，智能手机电池容量日益增大，对充电器充电速度和功率要求越来越高。另外随着Type-C端口的普及，笔记本电脑，PAD和手机可以共用一个充电器，笔记本电池容量和电压较高，对充电器/适配器功率要求更高。

图1 电池容量和充电器功率

图2 TYPE C接口示意图

本文介绍一款高频高效PD65W超小体积USB PD方案。

具有以下特征：

★高功率密度（PCB板功率密度达29W/in3）；★高效率（满足CoC V5 Tier2能效要求，高至93%）；★高频率（开关频率135kHz）；★使用平板变压器和超结MOSFET显著提升功率密度和性价比。

1.0规格

1.1输入规格

输入电压90-264Vac输入电流<1A输入频率 47-67Hz

1.2 输出规格

输出电压/电流5V3A&9V3A&15V3A&20V3.25A输出过流保护≥105%*Io输出电压纹波<150 mV(线端测试，并联10uF电容，带宽20MHz)平均效率 满足 COC V5 Tier2能效要求开机延迟时间 <2s动态过冲/回勾 <5%*Vo（10%-90%负载，5ms/5ms,0.8A/us）

PCB板尺寸 长*宽*高：49.5mm*27mm*25.4mm

图3 维安65W超小体积USB PD

2.0 方案设计

2.1 原边设计

原边PWM控制器采用Richtek最新的高频ZVS控制器RT7790,支持最高135kHz开关频率，能够显著降低变压器体积，RT7790集成了双向控制技术，采用脉冲变压器实现双向反馈信号，具有更高的效率和可靠性。RT7790具有掉电检测功能的集成高压启动电路，集成X2电容放电能力，可实现更低的空载功耗。同时具备完善的保护功能。原边功率开关管采用维安（WAYON）第二代先进的超级功率MOSFET WMZ26N60C2，它是采用先进的SuperJunction MOSFET,具有极低的寄生电容和导通内阻，另外维安推出的第三代超结工艺超薄封装WMZ26N60C4，具有更低的寄生电容，可以得到更高的效率。

2.2 PDFN优势

2.2.1 非常小巧

引脚面积64mm²相比 D2PAK 150mm²减小50%以上。相比D2PAK 4mm高度，PDFN高度仅1mm。引脚缩短60 %；高度减小80%；体积减小90%。

图4 PDFN8*8 示意图

2.2.2 非常小的寄生电感

图5引脚寄生电感对比

相比传统TO系列直插和SMD器件，PDFN 无引脚器件引脚寄生电感非常小。此特征可以显著提高器件的开关速度。可以通过LTspice软件仿真验证。下图使用并联器件中模拟不同的寄生电感来对比器件开通和关断速度。

图6 不同源极（M2=10nH，M1=1nH）LTspice仿真开通波形图

图7 不同源极（M2=10nH，M1=1nH）LTspice仿真关断波形图

从图6,7仿真图可以看出，源极电感小的器件，开通和关断速度明显较快。

图8 维安PDFN8*8主推物料列表

2.3 副边设计

副边控制方案使用Richtek最新的高集成度USB PD控制器RT7208E，其集成了SR控制器，ZVS控制和反馈环路补偿，外围极其精简，支持QR/DCM/CCM等多种工作模式 ，集成ZVS控制器可以实现原边功率开关的零电压开通，显著提升系统效率和减少电磁干扰。SR功率开关管采用WAYON第二代先进的SGT工艺功率MOSFET WMB060N10LG2,超薄的PDFN5*6封装，阻断电压100V,导通电阻小于6mΩ，具有极低的导通电阻和优良的开关特性，很适合高频化应用。

审核编辑黄昊宇