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原创 GaN 设计赛

65W高功率密度PD快充,单TYPE-C,只有一枚硬币左右大小

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z443233785
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副总工程师
  • 2019-5-27 15:32:53
氮化镓的出现把ACF这种小众拓补一下拉到了人人皆知的境界,原边ZVS、副边ZCS,就像普通人得到武林秘籍成为了上乘高手。用吸星大法来形容ACF+GAN一点不为过,娇小的身躯却蕴藏着巨大的能量,是我们追求超小体积电源的不二选择。出奇的价格让GAN成为了工程师们眼中的奢饰品,望之却步,想GAN却GAN不了借此纳微提供这样的平台GAN一下,希望能玩出一朵花来。
闲话不多说,先发发设计日志:
5月27日:
收到氮化镓样品,NV6115、NV6117各5PCS。



曝光一下这个黑科技MOS的碟照:




拓补选择ACF+SR同步,先定个尺寸25*55mm,嗯,这个尺寸比较吉利
admin
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管理员
  • 2019-5-27 15:53:53
 
期待大作
xkw1cn
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  • 2019-5-27 21:26:14
 
期待。不过55mm得放多少硬币啊
YTDFWANGWEI
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  • 2019-5-28 09:28:44
 
熊猫银币
ad596142041
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  • 2019-5-27 21:50:05
 
不错,持续关注
allnights
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高级工程师
  • 2019-5-28 08:42:51
 
楼主,我盯上你了。
zhw40304
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高级工程师
  • 2019-6-3 14:03:59
 
楼主说清楚,是哪个的硬币,什么硬币!
z443233785
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副总工程师
  • 2019-6-4 15:55:38
 
设计日志:
6月4日:

28*55mm按这个尺寸只是预定热身用的,现在方案大致确定。芯片:UCC28780,SR:MP6908。
开关频率初步定为700K。
主要是考虑EMI问题,采用RM系列磁芯,骨架RM6,磁芯材质ML91S
方案选定后开始PCB Layout,高频线路的Layout是个漫长的时间。。。
z443233785
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副总工程师
  • 2019-6-9 18:41:00
 
特地买了个口红电源,主要目的是拆里面的元件用,据说这个电源没有使用GAN,体积也做的非常小,也算是业界无GAN最小尺寸PD 65W的电源了










测试了一下协议,支持PD3.0、QC3.0、BC1.2、VIVO充电协议
cmg
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  • 2019-6-10 11:11:59
 
加油,GaN一定比它小
电源江湖
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本网技师
  • 2019-7-26 09:41:49
 
你这协议测试用的是什么啊?
lily871201
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高级工程师
  • 2019-6-18 15:39:42
 
大哥6908频率700K行吗?最多600K吧
zh1997
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本网技师
  • 2019-7-23 16:30:35
 
MP6908的做同步整流,有没有出来结果?35ns对应TI的专配,确实要快一点,但这个芯片的供电范围太初窄了。
z443233785
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副总工程师
  • 2019-8-26 22:26:15
 
你仔细看规格书,供电范围非常宽,PD方案首选,0V~180V。我还没上6908,初期用肖特基调试
lion9891
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初级工程师
  • 2019-6-17 11:33:10
 
加油啊
zm77
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高级工程师
  • 2019-6-27 13:22:50
 
加油,期待后期原理图
DCMCCM
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  • 2019-7-3 15:09:12
 
赶快更新进度吧
z443233785
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副总工程师
  • 2019-7-4 11:08:00
 
原理图就不上传了,先传个PCB图,布局稍微打乱了一下。本来是画的差不多了,为了一根驱动走线过长的问题,还有上管驱动走线有两个过孔,这都会带来零点几PF的寄生电容,和几nH的寄生电感。PCB过孔的直径对电感的影响较小,影响最大的是PCB过孔的长度,增大PCB过孔和铺铜区的距离或者减小焊盘的直径可以减小寄生电容。整体来说薄的PCB板有利于减小PCB过孔的两种寄生参数,高频线路的驱动走线最好不要过孔。
这都是非常致命的小细节,我得推倒重来。
第一版PCB Layout:



世纪电源网-九天
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超级版主
  • 2019-7-4 11:19:16
 
期待楼主的杰作~
z443233785
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副总工程师
  • 2019-7-9 15:12:05
 
小板改来改去的,先这样定一版:

z443233785
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副总工程师
  • 2019-7-9 21:42:19
 
小板已画完:

世纪电源网-九天
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  • 2019-7-10 09:47:27
 
lz20060508
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副总工程师
  • 2019-7-10 13:34:01
 
还没有结案
z443233785
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副总工程师
  • 2019-7-12 17:11:13
 

PCB已完工,板子已发出打样:



DCMCCM
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  • 2019-7-15 08:51:59
 
原图图再上一个最新的看看
z443233785
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副总工程师
  • 2019-7-15 12:13:00
 
晒晒PCB,周五打板周一早上就收到了。
没有骗大家吧,小板真的跟一枚硬币一样大小
焊接这个板子我得买一副80度左右的眼镜才行,不然真看不清贴片位置







世纪电源网-九天
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  • 2019-7-15 13:10:27
 
厉害厉害~
SkyCode
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  • 2019-7-16 11:41:32
 
已关注,期待成品
DCMCCM
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  • 2019-7-16 14:05:11
 
可以上传个规格书吗

z443233785
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  • 2019-7-19 14:41:56
 
啥规格书啊?
z443233785
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  • 2019-7-16 15:19:20
 
这个就是初版的结构,比口红电源小一点,用已有的插件元件组装了一下,元件之间都很和谐,接下来就是买贴片材料了






cmg
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  • 2019-7-16 19:47:15
 
好快!!
DCMCCM
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  • 2019-7-25 10:29:21
 
厉害,问下,长宽尺寸是多少?另外散热片要怎么加
z443233785
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副总工程师
  • 2019-7-25 17:11:10
 
尺寸目前是29*60,无散热片
z443233785
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副总工程师
  • 2019-7-21 10:22:30
 
就这点小小的贴片元件,搞了两天才贴好,纯手工打造,有些封装画小了,贴的很痛苦
两个Gan的距离比较近,不知道会不会打架,到时测试看看




z443233785
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  • 2019-7-21 10:24:58
 
还有多的元件,需要元件的可以联系我(设计大赛QQ群),分摊设计成本
stevenyeh
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  • 2019-7-23 23:42:45
 
设计大赛QQ群  是多少?


admin
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管理员
  • 2019-7-25 10:34:11
 

z443233785
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  • 2019-7-25 17:09:09
 
没来得急仔细检查元件和焊点,今天就上电了,输入90Vac,没有输出,没有驱动信号。
开始研究主芯片第一脚在哪里?查看隔离芯片脚位,确认变压器相位,等。。。
这个芯片第一次用,又是新拓补,新材料,贴片元件相当小,一个SOD523封装比焊锡丝还小,这些很现实的问题,对于我来说难度非常大。
逼不得已,最后只能画原理图来分析了


z443233785
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副总工程师
  • 2019-7-26 13:13:05
 
D7、D10被我贴成了2V的稳压管,正常应该是22V左右的。换好后还是没有输出。。。
HVG脚和SWS脚都没有电压,示波器观察都是一条直线,查看规格书,Q7好像没打开过



下面这个是芯片启动的时序图,不知道Isws电流从哪里来?是靠Qs的结电容?:

z443233785
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副总工程师
  • 2019-7-31 13:18:15
 
断开交流电,给芯片VDD脚引入18Vdc电压。
测量REF脚电压,有5V。
测量HVG脚电压,有11V。
说明芯片焊接没有问题。如下图波形:


感谢《一片电子云》网友提供帮助。
问题出现在原理图Q7的启动MOS管,这里我用的BSS127,当时没仔细看
看到没有,这个是增强型的MOS,它不提供初使沟道的导通通路,所以电路无法正常开机。


所以这个位置需要使用耗尽型N沟道MOSFET,耗尽型NMOS在Vgs=0时,漏源之间的有一条沟道存在,所以只要加上Vds,就有Id流通。如果增加正向栅压Vgs,栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应更多的电子,沟道变厚,沟道的电导增大。

目前材料购买中。

cmg
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  • 2019-7-31 16:12:55
 
对,BSS126是耗尽型的,利用它常开的特性启动,启动完成后再利用它的关断特性做无损电压检测
z443233785
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  • 2019-8-26 22:26:57
 
嗯,学习了
z443233785
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  • 2019-8-8 14:22:20
 
更新一下日志:
感谢氮化镓(GaN)设计赛群里的网友分享的宝贵资料,对这个项目提供了很大的帮助。
BUG1:CS脚空焊导致开机不了
BUG2:VS脚上下拉电阻参数设置错误
BUG3:SWS脚外面的稳压管装错成2V,正常需要在18V~20V之间








现在正常输出,发现GAN驱动的毛刺比较大:



上面是带负载5V/1A,输入90Vac,红色是下管GAN驱动,黄色是下管VDS






上面是带负载5V/2A,输入90Vac,黄色是下管GAN驱动,红色是下管VDS


DCMCCM
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  • 2019-8-9 13:59:50
 
你好,这个应用资料可以发我学习下吗?我看规格书也是看得晕乎乎的,我板子刚发,心里没底得很,邮箱286463602@qq.com
z443233785
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  • 2019-8-26 22:27:31
 
中文UCC28780 Debug Guide and Common Issues(V1.1).pdf (4.1 MB, 下载次数: 54)
zyzoops
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高级工程师
  • 2019-8-12 15:56:56
 
为啥这么大的尖峰啊?
cmg
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  • 2019-8-12 17:32:56
 
上管应该没打开,否则怎么会有这么大的Vds尖峰,ACF没有一点尖峰的,应该是很平滑的波形
joezzhang
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副总工程师
  • 2019-8-15 15:44:29
 
负载太小,还在DCM状态,没有进入ACF模式;

700KHz最高频率,不用平面变压器基本没法弄,穿透深度只有0.08mm
cmg
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  • 2019-8-16 10:55:35
 
有0.05的利兹线,平面变压器如果用3盎司的铜箔也很厚了,不必达到最优。

1.jpg (61.34 KB, 下载次数: 93)

1.jpg
z443233785
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LV8
副总工程师
  • 2019-8-26 22:33:46
 
上管确实没打开,原因是隔离芯片供电问题,它的供电是从NV6115的3脚串了个稳压管过来的,
NV6115的3脚电压范围是5~7V,隔离芯片供电范围是2.25~5.5V,稳压管得用2V的。


不知道NV6115的1脚提供10~24V电压,3脚的电压是不是稳定的?
你是我的小丫小苹果
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初级工程师
  • 2019-8-17 11:16:52
 
口红电源:35*74*30mm;65W;功率密度0.8365W/(立方厘米);
楼主设计:33*60*24mm;65W;功率密度1.3678W/(立方厘米);
................:40*45*25mm;65W;功率密度1.4092W/(立方厘米);
体积差不多啊
你是我的小丫小苹果
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LV4
初级工程师
  • 2019-8-18 22:40:18
 
29*60*20mm,加外壳就是34*65*25mm,功率密度:1.1764W/(立方厘米);PCB双面贴片,RM6,加油、、、、、、
z443233785
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LV8
副总工程师
  • 2019-8-26 21:55:00
 
可能来不急调试了,ACF还有很多小毛病,示波器又没有差分探头,一抓上管波形就烧管子,恼火!。时间不多了,剩下一个月时间,打算用QR方案来备选,ACF方案先暂停,调试好QR备选方案再研究ACF。

不用平面变压器,成本太高了,平民玩家伤不起。
备选方案:N*****2+RM8
频率:*50K左右
尺寸:*1mm**7mm**4mm
花了一个晚上时间,初步PCB LAYOUT已经差不多:


主板:


小板:

z443233785
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副总工程师
  • 2019-8-26 22:36:06
 
搞ACF的上下管波形一定要用隔离差分探头,不然会发生一些意外
cmg
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  • 2019-8-27 09:02:22
 
都可以尝试
z443233785
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  • 2019-8-29 10:33:37
 
QR方案已经打PCB回来了,先亮个像

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z443233785
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副总工程师
  • 2019-8-29 08:40:10
 
ACF的上管容易坏,是因为我的探头环路太长了,上管一直打不开,将上管换成二极管输出正常


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z443233785
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  • 2019-8-29 12:13:43
 
ACF方案的隔离芯片一直供电不正常,串接的稳压管没起作用一样
下图是氮化镓3脚输出电压波形(6.35V),负载5V/0A



下图是隔离芯片Vdd电压波形(5.41V),负载5V/0A


下图是氮化镓3脚输出电压波形(6.35V),负载5V/2A


下图是隔离芯片Vdd电压波形(6.19V),负载5V/2A


测得隔离芯片Vdd最大值(6.19V)明显超过隔离芯片的MAX(5.5V)





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  • 2019-8-30 13:50:38
 
公司有个产品,需要一个定制的65W电源,尺寸要求95X27.5,板上元件最高18,有兴趣有意向有时间的话麻烦联系我
z443233785
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  • 2019-9-1 21:11:07
 
调机日志:隔离芯片供电的问题已经解决了,现在开机空载电压从3~4.3V之间跳动,
VCC电压一直处于打嗝状态:


TI资料说SWS脚要外接18~20V的TVS管,否则VCC会被钳位至17V以下,但我装的是22V的稳压管,不知道跟这个有没有关系


上管氮化镓换成二极管吸收,电路能5V/3A正常工作,装上上管氮化镓就出现VCC不断重启现象。

z443233785
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  • 2019-9-1 21:42:08
 
RUN的驱动是有一搭没一搭的打出来,下管驱动更是生了病一样半天打一个出来,这28780真难伺候,调了2个月了,有这个时间女朋友都找了好几个了
波形依次是:
红:RUN
蓝:PWML
黄:CS




奇怪的是探头一测下管驱动,输出就掉到2V以下跳动了

z443233785
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  • 2019-9-2 19:28:30
 
入秋了,今天感觉到了一丝阴搜搜的凉意,电源还在凉凉中。。
按故障排除方框图,找到了一点方向:



输入30Vac,电源启动后抓PWML驱动,发现有四个脉冲



展开第一个驱动波形,开通时间770nS大于0.3uS,故障排除方框它叫我返回重新来确认一遍

重新测试,发现有时是3个脉冲:


这就问题比较多了:


1.。NTC电阻上面有电容
2.。HVG外接电容不对
3.。下管击穿或同步MOS击穿
4.。上管和下管击穿


z443233785
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  • 2019-9-2 20:06:09
 
将Vin调到40Vac,发现PWML有四个脉冲:


Ton时间144nS,小于0.3uS,按照提示它说我的CS脚上噪声很大,需要加大CS电容,我这里装的是10pF



z443233785
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  • 2019-9-2 22:17:08
 
涛声依旧,加大CS电容100pF,220pF都试过,没啥用:

z443233785
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  • 2019-9-5 12:15:40
 
日志:
现在已启用备选方案,QR,GAN已经装上去了,5V输出满载一点温度都没有

5V/3A 90Vac效率只有90%
20V3A时效率只有87%,查看同步时发现驱动没有完全打开:


可以看到同步的Ton只有1uS,对此损耗非常恶劣。
目前最大开关频率限制在260K,QR芯片外接的电阻可以设置最大频率
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  • 2019-9-5 13:22:11
 
支持楼主!
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  • 2019-9-6 09:09:28
 
20V/3.25A时,同步驱动提前OFF了,正确的应该如图中白色线,大家有遇到过这种问题没?

上面同步MOS的Qg=45nc,驱动形状有个阶梯形下降,直到2V,很低的VG电压可以快速关断

当使用Qg比较大的MOS时,Qg=164nc,驱动直接变成了方波:


所以选用Qg较小的MOS利于驱动快速关断
z443233785
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  • 2019-9-8 20:32:07
 
周未了,本来休息的,只是今天看到恶心的房东10月1号涨房租50元,不得已跑上论坛来更新下帖子,多学点知识。SR驱动提前关闭的问题还在找原因,看到一个同步PCB设计资料:



它上面说避免在同步整流MOS的封装电感中添加杂散电感的位置连接VD和VS感测点,因为这会过早关闭SR。


在这里我已经犯了两个错误:
1.。Vs参考地走线从吸收下面绕到SR MOS的源极
2.。SR的MOS栅极对源极设计了一个10K的下拉电阻
3.。Vd走线没有直接到漏端
4.。TO220封装的MOS因为有引线,有一定的寄生电感,对高频开关非常不利,需要换成贴片封装的MOS


它在这里说由于初始快速导通后内部上拉能力较弱,因此请避免在栅极与源极之间放置小于50kΩ的电阻
z443233785
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  • 2019-9-8 20:35:44
 
PCB已改好,加急打样:

z443233785
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  • 2019-9-8 20:36:13
 
PCB打的24小时加急,2天就收到了。
直接焊接,半个小时搞定,先用MOS上的电,没有问题后再上的GaN
外接那个小板是用431搭的一个线路,暂时没上协议芯片

上是优化过的PCB,下是第一版PCB(同步展不开,效率只有87%)




z443233785
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  • 2019-9-8 22:53:29
 
PCB优化后,同步驱动已经正常,非常宝贵的经验。
Vin:90Vac  Vout:5V/3A


Vin:90Vac  Vout:20V/0A

空载是没有驱动的,可以降低待机损耗,空载极轻载驱动的关闭可以通过Vd电阻进行调整

Vin:90Vac  Vout:20V/3.25A


目前频率跑到250K,老化半小时基本上没有温度。
z443233785
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  • 2019-9-8 23:03:07
 
GaN装上后先别急着上电开机,先测量一下焊接有没有问题
以下是QR方案上面的GaN测量方法,用福禄克万用表红表笔接S极,黑表笔挨个引脚测量

S--->D   0.936V
S--->1   0.515V
S--->2   0.567V
S--->3   1.63V
S--->4   0.738V
和上面差不多数值就可以放心开机了,GaN基本上不会坏

Vin:230Vac  Vout:20V/3.25A

把RCD吸收断开,Vds跑到720V居然GaN没有坏,纳微的管子还是可以的哈
z443233785
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  • 2019-9-9 20:16:50
 
测试次级同步的应力

Vin:90Vac  Vout:20V/3.25A


Vin:230Vac  Vout:20V/3.25A

z443233785
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  • 2019-9-9 20:17:34
 
因为有了之前调试PD的经验,PD的相关知识和变压器的计算可以参考这个帖子:
DIY 18W 30W 45W 65W 87W PD单口快充,安规版,低成本

http://bbs.gjpjyl.com/thread-305143-1-1.html

点击量居然有1万多了,贴子还没更新完,将来有时间慢慢更新,不过对PD快充感兴趣的朋友还是挺多的。

这次DIY的话,进展还是比较顺利,PD协议一装上去就可以了,不需调整
展示一下做案现场,考虑到比赛的公平性,我初级测打了马赛克


Vin:90Vac,Vout:5V3A,这个负载在最低电压输入的情况出现了三个谷底,说明变压器还需要优化




z443233785
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  • 2019-9-9 20:17:55
 
调的一时兴起,忘记关电,直接拿烙铁去捅PCB的时候炸鸡了。没有隔离电源的请勿模仿,炸的很响,值得记录一下:


kevin-leee
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  • 2019-9-10 16:06:24
 
我也换QR方案来弄
z443233785
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  • 2019-9-10 16:54:35
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来吧,QR简单,不需要调试
z443233785
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  • 2019-9-9 20:26:25
 
不死心,这个楼开始更新ACF方案进度。
接着65楼,把隔离芯片拆掉,将上管供电断开:
Vin:40Vac
PWML有四个脉冲,正常。PWMH有毛刺,最大电压有2.4V,空载情况下PWMH不该有信号的,应属于走线被干扰

z443233785
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  • 2019-9-9 21:49:18
 
PMWH的尖峰毛刺是带宽没打开,打开就没有了


将上管拆掉测试输出正常,是这样的:


不知道哪里干扰了上管

kevin-leee
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  • 2019-9-10 16:05:33
 
楼主跟新了这么多信息,我的情况基本上跟你差不多,下管有3-4个波形,上管一点反应都没有
z443233785
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  • 2019-9-10 16:54:10
 
是啊,估计TI提供的信息有误
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  • 2019-9-10 09:09:09
 
支持楼主
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  • 2019-9-12 20:35:06
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PCB到了,改的第九版。这是最后一版了:

z443233785
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  • 2019-9-12 20:35:28
  • 倒数8
 
已经开机测试完成。另外找了两款MOS,参数看着还可以,耐压都是100V的,到时对比测试一下看看效果:
AON6290:
Trr:40nS
Coss:415pF
Ciss:4600pF
Qg:63nc

AON6292:
Trr:19nS
Coss:327pF
Ciss:3839pF
Qg:45nc


顺便记录一下:
芯片的Fmax改小,最大频率变小,相应的OCP点也会变小。
氮化镓的D极到变压器动点串磁珠会增加SR同步MOS的应力,这个要小心一点。
SR同步MOS并肖特可以改善轻载效率,但是也会增加其应力,主要是肖特基的反向恢复时间
SR吸收不是越重越好,吸收到一定程度再加大就没有效果了,会影响效率,吸收的计算可以参考这个TI资料里的公式:
变压器的二次漏电感(Lslk)并测量电路中的二次谐振环频率(fr),执行此操作时不使用SR,
然后需要基于以下等式计算次级绕组电容(Cs)。 请注意,对于次级绕组漏电感为3.8 uH且环频率为2 MHz的变压器,寄生电容为1.7 nF。


计算出的Cs,Lslk和fr,可以设置缓冲电阻R3以临界抑制次级上的振铃,这需要将电路的Q设置为等于1。

电容器C3用于限制在开关周期期间缓冲电阻器施加到辅助绕组的时间。 建议根据反激转换器的开关频率(fSW),将缓冲电容C3设置为以下公式。 对于反激式转换器,在该示例中以85kHz切换将需要大约497pF的C3。

这个电容C3:497pF,实际使用需大于这个值
z443233785
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  • 2019-9-12 20:35:54
  • 倒数7
 
下面是同步整流MOS的Vds和Vgs波形:
测试条件:Vin:90Vac/63Hz
          Vout:5V/3A

测试条件:Vin:90Vac/63Hz
          Vout:20V/3.25A

测试条件:Vin:264Vac/47Hz
          Vout:5V/3A

测试条件:Vin:264Vac/47Hz
          Vout:20V/3.25A
z443233785
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  • 2019-9-12 20:36:31
  • 倒数6
 
氮化镓MOS的Vds和Vgs测试波形:
测试条件:Vin:90Vac/63Hz
          Vout:5V/3A

测试条件:Vin:264Vac/47Hz
          Vout:20V/3.25A

z443233785
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  • 2019-9-22 16:39:00
  • 倒数5
 
碟照亮相楼层
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  • 2019-9-22 16:40:56
  • 倒数4
 
这个楼层主要更新QR调试中遇到的一些问题和解决方案,有时间再更新
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  • 2019-10-11 09:28:34
  • 倒数3
 
信心满满的lay完板准备焊接了,看完你的帖子,我心里慌的1腿,准备同步搞个qr备案了。。。对了,我的哥,我sr用的mp6905,刚刚百度了下没找到兄弟款6908啊。。。
z443233785
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  • 2019-10-19 14:36:59
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MP6908_r0.8_Under_Development.pdf (794.29 KB, 下载次数: 0)
兄弟,6908如附件。里面部分内容我粗糙的翻译了一下,供参考
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  • 2019-10-17 23:47:12
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260K QR ,用的什么芯片??低谷检测还来得及吗?
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