再有幾天，蘋果就要發(fā)布最新一代的iPhone了，網(wǎng)上被爆料最多就是無線充電、快速充電功能和配件。作為永遠(yuǎn)慢一步的手機(jī)廠商代表，蘋果曾被寄予厚望優(yōu)先采用無線充電和快充，但直到2017年他們才發(fā)布支持Qi標(biāo)準(zhǔn)的iPhone。雖然同期他們還宣布將發(fā)布一款神奇的無線充電枕AirPower，號(hào)稱能同時(shí)為三款蘋果設(shè)備無線充電，但直到2019年產(chǎn)品都沒有面世。最終在2019年3月，蘋果不得不宣布取消AirPower項(xiàng)目。repesmc

雖然已經(jīng)有第三方廠商，按照AirPower的概念做出了多線圈一對(duì)多充的，但能否獲得蘋果授權(quán)和支持還不得而知，畢竟三臺(tái)設(shè)備一起充電的發(fā)熱量，要達(dá)到蘋果的要求很難。現(xiàn)在蘋果官網(wǎng)上賣的仍舊是“天價(jià)”的第三方5W、7.5W無線充電板。repesmc

無線充電比插線充電方便那么一點(diǎn)點(diǎn)，但論速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上有線快充。有評(píng)測(cè)機(jī)構(gòu)做過實(shí)驗(yàn)，同樣是5W的輸出功率，無線充電的效率遠(yuǎn)不如有線充電。這也是為什么無線充電10W、15W就可以稱為快充，而有線充電現(xiàn)在都卯足了勁往100W跑，就連蘋果據(jù)傳都會(huì)在今年放棄祖?zhèn)鞯?ldquo;五福一安”充電器，改用18W USB-C PD充電器。repesmc

如果消息屬實(shí)，那將是蘋果的一大步，因?yàn)閕Phone 8之后的機(jī)型其實(shí)都支持18W快充，但蘋果卻繼續(xù)標(biāo)配“五福一安”，然后在官網(wǎng)賣“天價(jià)”第三方快充頭。為什么第三方廠商就能在“五福一安”同等體積下，做出18w USB PD充電器，蘋果卻不行？無線充電在設(shè)計(jì)和測(cè)試上要注意什么？最近又有哪些功率器件和解決方案可以提高電源效率？repesmc

9月5日，ASPENCORE在深圳南山科興科學(xué)園舉辦了第20屆電源管理論壇，主題為“快充、無線充以及電池電量監(jiān)控”，你或許能從這里找到答案。repesmc

今年最火電源議題——GaN

要說今年最火的電源議題，氮化鎵（GaN）當(dāng)之無愧，在輸入電壓為100 V或更低的應(yīng)用中，已經(jīng)沒什么理由能讓你拒絕GaN晶體管。相比傳統(tǒng)硅晶體管，GaN可以使電源效率更高、溫度更低、尺寸更小，實(shí)現(xiàn)大功率電源無散熱片設(shè)計(jì)。在這次電源論壇上，有三位演講嘉賓都分享了GaN相關(guān)話題。repesmc

Power Integrations（PI）資深技術(shù)經(jīng)理Jason Yan介紹了該公司的GaN開關(guān)技術(shù)InnoSwitch-3系列新品。普通MOSFET的輸出電容在其開通時(shí)，通過其本身進(jìn)行放電。但是寄生電容的大小與MOSFET的大小成比例，更大MOSFET等于更多的開關(guān)損耗，而PI的PowiGaN開關(guān)單位面積的RDS(ON) （導(dǎo)通電阻）更小，意味著更低的導(dǎo)通損耗。repesmc

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(圖自：Power Integrations )repesmc

“一般來說，開關(guān)損耗會(huì)隨著管子大小的增大而增加，導(dǎo)通損耗會(huì)隨著管子大小（體積V）的增大而減小，兩者曲線的交叉點(diǎn)就是傳統(tǒng)MOSFET的功率損耗。但GaN的開關(guān)損耗既不取決于電容（C）大小，也不取決于體積，所以其功率損耗的交叉點(diǎn)要比傳統(tǒng)MOSFET低很多。” Jason介紹到。repesmc

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與硅器件相比（藍(lán)色），GaN產(chǎn)品（紅色）將輸出功率在PFC-400VDC下做到了近120W最高值(圖自：Power Integrations)repesmc

用GaN開關(guān)替換IC初級(jí)的常規(guī)高壓硅晶體管，可以降低電流流動(dòng)期間的傳導(dǎo)損耗，并極大降低工作時(shí)的開關(guān)損耗，最終有助于大幅降低電源的能耗，從而提高效率。repesmc

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PowiGaN方案做出的業(yè)界首款90W USB-C雙頭充電器，可以同時(shí)給兩臺(tái)MacBook充電（圖自：Luffy Liu攝 電子工程專輯）repesmc

世強(qiáng)先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師蘇陽東也分享了“采用GaN技術(shù)實(shí)現(xiàn)高密高效的快充應(yīng)用”的主題演講。為什么我們需要快充？他首先介紹了智能手機(jī)充電的發(fā)展史：從2009年到2019年，手機(jī)電池容量越來越大，充電時(shí)間卻越來越短，由原來的7、8小時(shí)到現(xiàn)在半個(gè)小時(shí)，充電器的功率也越做越大，從2.5W到現(xiàn)在的55W、65W甚至100W，但是充電器的體積卻一直保持著小型化。repesmc

由此可見，后續(xù)的充電器的主要還是往功率密度越來越高的方向發(fā)展。而硅器件被開發(fā)到極致時(shí)，更高頻率的GaN器件更加適合應(yīng)用于高效、高功率密度、小體積的快充產(chǎn)品設(shè)計(jì)。repesmc

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（圖自：世強(qiáng)先進(jìn)）repesmc

“目前我們所講的氮化鎵基本都是硅基氮化鎵，結(jié)構(gòu)上采用的是硅襯底，之后是緩沖成，然后是二維橫向的電子通道，在往上就是氮化鎵鋁（AlGaN）GS三極（漏極、柵極和源極）。” 蘇陽東介紹到，“GaN主要是通過二維電子通道和外延結(jié)構(gòu)，提供極高的電荷密度和遷移率來形成導(dǎo)通通道。”repesmc

世強(qiáng)目前代理英諾賽科（innoscience）的GaN器件，并推出了很多快充參考設(shè)計(jì)，與硅MOSFET的方案相比，GaN方案具有高效、高密、小體積化的特性。repesmc
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論壇現(xiàn)場(chǎng)第三位分享GaN話題的是億思騰達(dá)芯片集成方案主管周鵬，他們的超薄電源方案采用納微電子（Navitas）的GaN功率芯片。據(jù)周鵬介紹，納微擁有全世界第一款A(yù)llGaN功率IC，也是首個(gè)、最快速集成的GaN門極驅(qū)動(dòng)器，速度高于所有門極驅(qū)動(dòng)器3倍以上，支持40MHz開關(guān)頻率。repesmc

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硅、分立GaN和集成GaN功率IC的電源設(shè)計(jì)復(fù)雜程度和能效對(duì)比（圖自：億斯騰達(dá)）repesmc

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納微的65W USB A+C快充方案與蘋果iPhone的12W充電器對(duì)比，體積相差不多，但是輸出功率、各種條件下的效率都秒殺之。（圖自：億斯騰達(dá)）repesmc

隔離解決方案

做電源設(shè)計(jì)一定離不開隔離，芯科科技（Silicon Labs） 華南區(qū)銷售經(jīng)理林秋華，介紹了自家陣容齊全的電容隔離產(chǎn)品，并且與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的電感型、磁耦型產(chǎn)品做了對(duì)比。repesmc

首先是一個(gè)靈魂拷問：為什么要做隔離？林秋華表示，在電源產(chǎn)品中，往往輸入端有高電壓，控制端則是低電壓，400V高壓輸入和3.3V 的MCU在一起能好么？所以需要隔離來減少干擾，也是為了保障安全。我們電源適配器中的變壓器，其實(shí)就是最傳統(tǒng)的隔離方式。repesmc

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（圖自：Silicon Labs）repesmc

而隔離技術(shù)又分為：repesmc

1、 以Silicon Labs和TI為代表的電容型；repesmc

2、 以ADI為代表的電感型；repesmc

3、以博通、東芝和Vishay為代表的光耦型。repesmc

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Silicon Labs對(duì)三種隔離技術(shù)的特點(diǎn)總結(jié)（圖自：silicon Labs）repesmc

林秋華認(rèn)為，基于CMOS工藝的電容耦合是目前最先進(jìn)、性價(jià)比最高的隔離技術(shù)，在同樣的性能下，磁耦比容耦貴20-30%。而光耦之所以價(jià)格低，是因?yàn)楫a(chǎn)量大，但是容耦正在逐步取代光耦，比如在電動(dòng)汽車BMS中，用半導(dǎo)體隔離方式取代光隔離是一個(gè)趨勢(shì)。repesmc

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（圖自：silicon Labs）repesmc

ST開關(guān)數(shù)字電源及USB-PD產(chǎn)品

意法半導(dǎo)體（ST）技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理譚有志介紹了一款開關(guān)數(shù)字電源產(chǎn)品。STNRG011在一個(gè)封裝內(nèi)整合雙端LLC諧振半橋控制器、多模式功率因數(shù)校正（PFC）控制器和數(shù)字內(nèi)核。片上集成的數(shù)字外設(shè)利用ST的SMED（狀態(tài)機(jī)事件驅(qū)動(dòng)）技術(shù)和專有模擬硬件，提升控制回路的處理性能，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。芯片上還配備非易失性存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)專用參數(shù)。repesmc

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（圖自：意法半導(dǎo)體）repesmc

STNRG011的數(shù)字控制和用戶編程功能幫助工程師在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)優(yōu)化能效和性能，并利用輕載時(shí)的突發(fā)模式來最大限度地提高能效。2針UART / I2C端口連接主機(jī)系統(tǒng)，能夠監(jiān)測(cè)并管理電源。repesmc

片上還集成諸多其它功能，包括LLC和PFC柵極驅(qū)動(dòng)器、高壓（800V）啟動(dòng)電路和線路感應(yīng)功能，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化應(yīng)用設(shè)計(jì)，提高可靠性和耐用性，降低解決方案的尺寸和物料清單BOM成本。鑒于新的視聽和ICT設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 62368-1正在取代美國和歐盟的60950和60065標(biāo)準(zhǔn)，STNRG011會(huì)集成一個(gè)X電容放電電路，以降低終端設(shè)備的合規(guī)難度。repesmc

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（圖自：意法半導(dǎo)體）repesmc

STNRG011還為LLC和PFC電路提供全面的安全保護(hù)功能，包括過壓、過流、欠壓、浪涌、反饋斷開、抗電容保護(hù)、欠壓保護(hù)和軟啟動(dòng)。repesmc

譚有志表示，其實(shí)STNRG011已經(jīng)是一款量產(chǎn)近兩年的產(chǎn)品，雖然是數(shù)字電源，但模擬工程師可以輕松實(shí)現(xiàn)調(diào)試優(yōu)化，可以說是以普通芯片的價(jià)格，買到ASIC芯片的能力。repesmc

意法半導(dǎo)體功率器件市場(chǎng)部經(jīng)理唐建軍則介紹了一些ST MOSFET在USB-PD電源應(yīng)用中的成功案例。首先在高電壓功率MOSFET技術(shù)中，主要分為Planar和Super Junction（SJ）兩塊，下面是ST目前SJ技術(shù)分類以及對(duì)應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。repesmc

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（圖自：意法半導(dǎo)體）repesmc

成功案例介紹中，我們看到有谷歌、HP、華為等大廠的USB PD電源，功率從27W到65W不等，涉及到的產(chǎn)品有QR Flyback MOSFET、SR MOSFET、Active clamping MOSFET等等。repesmc

無線充電的測(cè)試

是德科技（Keysights）渠道經(jīng)理廖征宇在介紹無線充電線圈測(cè)試之前，先為大家科普了一下元器件的阻抗測(cè)試。所謂阻抗（Z），就是元器件或電路對(duì)交流電總的反作用。repesmc

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（圖自：是德科技）repesmc

與阻抗值相關(guān)參數(shù)主要是質(zhì)量因子（Quality Factor，Q因子）和損耗因子(Dissipation Factor，D因子)。repesmc

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（圖自：是德科技）repesmc

但沒有任何一種元器件，是單純的電阻或電抗屬性，他們都是由R、C、L（電阻、電容、電感）三種屬性合并而來，而其中那種“最不想要的屬性”，被稱為“寄生效應(yīng)”（parasitics）。學(xué)會(huì)了阻抗測(cè)量，才能更好地對(duì)無線充電的線圈進(jìn)行測(cè)試。repesmc

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（圖自：是德科技）repesmc

當(dāng)前無線充電技術(shù)主要有以上幾種，其中藍(lán)色的是已經(jīng)商用的，幾乎所有目前我們?cè)谟玫臒o線充電都是基于磁感應(yīng)或磁共振技術(shù)。磁共振雖然傳輸效率低，但作用距離相對(duì)較長，用戶體驗(yàn)更好。但不管磁共振還是磁感應(yīng)，功率傳輸效率都是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。repesmc

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（圖自：是德科技）repesmc

目前世界兩大無線充電聯(lián)盟所對(duì)應(yīng)的技術(shù)，對(duì)比如下。repesmc

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（圖自：是德科技）repesmc

在無線充電測(cè)量中，包括很多項(xiàng)目，其中發(fā)射機(jī)主要測(cè)試輸出阻抗，接收機(jī)主要測(cè)試輸入阻抗。而在研發(fā)階段，發(fā)射機(jī)的耦合效率、接收機(jī)的電感和線圈/諧振器Q值也是重要測(cè)試項(xiàng)目之一。repesmc

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（圖自：是德科技）repesmc

線圈中的LC諧振電路會(huì)直接影響功率傳輸效率，因此需要用阻抗、電感、電容和Q因子仔細(xì)地進(jìn)行表征。對(duì)于高效率的無線充電設(shè)計(jì)來說，更低的損耗（低DCR）和寄生（高Q）是必不可少的。repesmc

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)線圈俺的電感通常在微亨（μH）范圍，測(cè)試在幾十到數(shù)百kHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行。因此，阻抗范圍從幾毫歐到幾歐，需要測(cè)試設(shè)備有優(yōu)異的寬阻抗范圍特性，將精度保持在10%以內(nèi)。repesmc

萬物皆可USB-C充電

賽普拉斯（Cypress）區(qū)域市場(chǎng)經(jīng)理Gary Yuan在介紹方案之前，首先曬了一下Cypress在USB方面的硬實(shí)力。截至2018年，他們的USB總出貨量達(dá)22億顆，其中2015年到2018年出貨超過5億USB-PD控制器，提供了從端到端幾乎所有USB-C解決方案，用量最大的客戶類型包括筆記本電腦、Docking、線纜（帶芯片）、顯卡、游戲PC、適配器、充電頭以及充電寶等。repesmc

而這次Gary主要介紹的是一款USB-PD電源完整解決方案——EZ-PD PAG1，這是一個(gè)完整的AC/DC供電解決方案，目的是打破傳統(tǒng)PD充電器設(shè)計(jì)思路，從而實(shí)現(xiàn)“USB-C驅(qū)動(dòng)一切”。repesmc

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EZ-PD PAG1為雙芯片USB-C供電解決方案，將主要的一級(jí)、二級(jí)及USB PD控制器元件集成在一起。所有控制，包括初級(jí)控制器（PAG1P）都由次級(jí)控制器（PAG1S）控制，可以有效提升設(shè)計(jì)效率，并且次級(jí)控制回路使負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快（3ms以內(nèi)），系統(tǒng)穩(wěn)定性好。repesmc

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同時(shí)，單芯片次級(jí)芯片 PAG1S集成了同步整流控制器（SR），支持動(dòng)態(tài)開關(guān)模式，內(nèi)置MCU可靈活控制初次級(jí)兩端MOSFET。初級(jí)芯片PAG1P可以可通過一個(gè)小變壓器接收次級(jí)IC發(fā)出的PWM控制信號(hào)，并在次級(jí)IC PAG1S的控制下實(shí)現(xiàn)初次級(jí)兩端MOS同步。repesmc

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PAG1具備可編程性，支持多種充電標(biāo)準(zhǔn)，包括：PD3.0 (PPS)、QC4/4+、Apple Charging、QC 3.0/2.0、三星AFC和BC 1.2。repesmc

USB-C是一種新的連接標(biāo)準(zhǔn)，可在為不同設(shè)備同步供電的同時(shí)，通過同一根電纜和標(biāo)準(zhǔn)的正反通用連接器來傳輸數(shù)據(jù)。據(jù)IHS Technology的報(bào)告預(yù)測(cè)，現(xiàn)在所有使用USB的設(shè)備都可能統(tǒng)一為Type-C。repesmc

Gary表示， USB-C可以提供高達(dá)100W的功率輸出，并可通過同一端口支持不同的接口標(biāo)準(zhǔn)。隨著越來越多的設(shè)備趨向于采用同一個(gè)充電器或電源適配器來充電，笨重的各類專用電源適配器也將不再是必需品，以后出門隨身只用帶一個(gè)USB-C電源就可以了。repesmc