南芯POWERQUARK® 65W快充参考设计解析

来源:充电头网发布时间:2023-09-143085浏览

前言

国内知名快充芯片厂商南芯科技，在推出了氮化镓直驱芯片，氮化镓合封芯片之后，再次推出了最新POWERQUARK®系列主副边全集成的开关电源方案，芯片采用南芯科技自研的全集成封装技术，支持次级控制软开关技术，提升转换效率。
这款芯片将快充充电器的原边控制器，高压GaN开关管，隔离通讯，次级同步整流控制器和协议功能全部集成，具有业界领先的高集成度，压缩充电器体积，大幅提升消费者的使用体验。下面充电头网就对南芯POWERQUARK® 65W 参考设计进行解析，看看方案的设计。

南芯POWERQUARK® 65W 参考设计外观

南芯POWERQUARK® 65W 参考设计输入端设有EMI滤波和整流小板，输出端也设有一块小板，焊接USB-C输出母座。

实测充电器长度约为46.13mm。

宽度约为23.79mm。

厚度为27.56mm。通过三围可以算得这一参考设计的功率密度达2.15W/cm³。

另外测得充电器净重约为46g。

南芯POWERQUARK® 65W 参考设计解析

PCBA模块正面一览，左侧焊接输入小板，右侧焊接高压滤波电容，中间为变压器，右侧为输出滤波电容和USB-C母座小板。

参考设计PCBA模块背面焊接南芯科技POWERQUARK®系列芯片和同步整流管。南芯科技这款全集成芯片横跨初次级，芯片内置高速隔离数字通讯，不再需要外置光耦。

输入小板焊接保险丝，共模电感。

输入端保险丝规格为3.15A 300V。

侧面一览，在共模电感下方焊接一颗黄色Y电容。

共模电感采用漆包线和绝缘线绕制。

安规X2电容来自KWOKTRAN国灿电子。

输入端小板侧面焊接整流桥。

在小板背面焊接一颗整流桥，来自智威半导体，丝印R8M。

安规X2电容放电电阻特写。

高压滤波电容来自艾华。

其中一颗规格为400V22μF。

另外两颗为400V33μF，滤波电容总容量为88μF。

参考设计采用南芯POWERQUARK®系列全集成芯片，型号SC3107C，芯片内置南芯自研的全集成封装技术，内置高速隔离数字通讯技术，集成次级控制软开关技术和次级控制主动式同步整流技术，并集成多标准快充协议兼容技术。一颗芯片可以实现传统充电器中原边控制器+GaN器件+隔离光耦+同步整流控制器和协议芯片五种独立功能。南芯POWERQUARK®系列全集成芯片将器件极致集成，减少充电器外围元件数量，具备开发周期短，产品性价比高的优势。次级软开关技术降低了开关损耗，提高了转换效率，搭配同步整流，提升整体效率，降低散热要求。并且内置高速数字隔离通信，无需光耦，可靠性更高。

芯片内部还集成协议功能，支持UFCS融合快充，PD快充以及私有协议定制，满足主流市场需求。芯片内部集成供电过压保护，逐周期电流限制，输出欠压保护，输出过压保护，输出过电流保护和输出短路保护。内部还集成软启动，最高工作频率为175KHz。芯片采用SSOP38L封装，支持65-140W PD快充应用。

变压器来自鑫源康电子，磁芯缠绕胶带绝缘。

两颗贴片Y电容串联连接。

同步整流管来自恒泰柯，型号HGN080N10AL，是一颗耐压100V的NMOS，导阻为6.5mΩ，采用DFN5*6封装。

输出侧焊接USB-C母座小板和两颗滤波固态电容。

两颗输出滤波电容规格为680μF 25V。

输出VBUS开关管来自威兆半导体，型号VS3698AE，是一颗耐压30V的NMOS，导阻为3mΩ，采用PDFN3333封装。

USB-C母座采用过孔焊接固定，黑色胶芯。

南芯POWERQUARK® 65W 参考设计评测

接下来，就带大家来看一下这款南芯POWERQUARK® 65W 参考设计的充电表现。充电头网会从充电兼容性测试、充电全程测试等方面带大家全方位了解这款芯片。

充电兼容性测试

兼容性测试环节可以清楚的得知充电器为各个设备的充电情况，充电头网使用数十款设备进行兼容性测试，为读者呈现真实的测试数据。

USB-C

将 MacBook Pro16 M1 Max 连接充电器的C口输出，使用 POWER-Z KM003C 测试仪读取功率为 20.06V 3.22A 64.62W，屏中显示成功握手PD快充协议。

将测试数据汇总至表格，先来看看手机部分，大部分手机都能握手9V电压档位，游戏机和平板握手15V电压档位，笔记本则握手20V电压档位。其中，魅族20 Pro兼容性表现良好，可以握手18V大电压。

绘制出柱状图，充电功率最高的是 MacBook Pro16 M1 Max 为 64.59W，接近C口最高输出功率，表现优秀，其次是联想小新 Pro 14 为 60.81W，最低的是 Switch TV模式为 9.1W，手机方面，充电功率最高的为魅族20 Pro的56.14W；充电功率较低为iQOO Neo8 Pro的 11.20W。从柱状图中可以看出，大部分手机都在 14W及以上的功率，兼容性表现优秀。

充电全程测试

南芯POWERQUARK® 65W 参考设计的最大输出功率65W，在测试设备方面充电头网选用了 iPhone 14 Pro 作为测试对象，将充电器与 iPhone 14 Pro 放置于25℃的恒温箱中，并接通电源，测试结果如下。

接通电源后握手9V电压，前16分钟功率稳定在21W左右；随后功率下降至16W左右并持续充电至第30分钟；随后功率再次下降，以11W功率充电至第40分钟；第49分钟时握手5V电压；随后进入涓流充电，直至充满，充电全程耗时约2小时05分钟。

绘制出折线图，可以看出，充电器为 iPhone 14 Pro 充电至50%耗时24分钟，充至80%耗时51分钟，充至100%耗时2小时05分钟。

空载功耗测试

充电器在插座上插着不使用的情况下是否会浪费电，具体会损耗多少电能，这是许多读者心中的疑问，待机功耗环节就是为了解答这个问题。将充电器插在贝奇功率计的插座上，并读取功率计上的数据，测试结果如下。

经过功率计测试，充电器在220V 50Hz 电压下的空载功耗为0.052W，换算下来一年损耗的电能约为0.456KW·h，若市电价为0.6元/KW·h，则充电器一年的电费约为0.27元左右。再来看看在110V 60Hz 电压下的空载功耗，使用功率计读取的功耗为0.026W，换算下来一年损耗的电能约0.228KW·h，若市电价为0.6元/KW·h，则充电器一年的电费约为0.14元左右。小结
经过上面的空载功耗测试，南芯POWERQUARK® 65W 参考设计在 220V 50Hz 电压环境下插在插座上不使用，一年下来消耗的电费约为0.27元左右；而在110V 60Hz 的电压环境插在插座上不使用，一年下来消耗的电费约在0.14元左右。

转换效率测试

充电器本质上是一种转换设备，过程中会有损耗，以热量的形式散发出来；充电器从插座上汲取的功率往往会比充电器标注的功率大一些；将南芯POWERQUARK® 65W 参考设计在220V 50Hz 和110V 60Hz 交流输入的情况下分别进行转换效率测试，下图是测试结果。

先来看看220V 50Hz电压下转换效率如何，整体转换效率在93.9-95.1%之间；其中转换效率最高的是20V3.25A档位，转换效率达到了95.1%；转换效率最低的是5V3A档位，转换效率为93.9%。再来看看110V 60Hz电压下的转换效率，整体的转换效率在93.65-94.31%之间；其中转换效率最高的是20V3.25A档位，转换效率达到了94.31%；转换效率最低的是5V3A档位，转换效率为93.65%整体来看，南芯POWERQUARK® 65W 参考设计在两类电压下的转换效率要比主流快充方案的效率高不少，表现非常亮眼。

纹波测试

由于充电器中采用开关电源，变压器次级输出的并非直流电，需要经过整流和电容滤波输出，也就是充电器输出会存在纹波；充电头网采用示波器测试充电器输出的纹波值，与行业标准进行比对，检测充电器的输出质量。纹波越低，充电器的输出质量就越高。

空载纹波

首先看看220V 50Hz电压下的空载纹波，纹波峰峰值最高的是12V0A档位，纹波峰峰值为52.8mVp-p；纹波峰峰值最低的是20V0A档位，纹波峰峰值为47.2mVp-p。再来看看110V 60Hz电压下的空载纹波表现如何，纹波峰峰值最高的是9V0A档位，纹波峰峰值为52.8mVp-p；纹波峰峰值最低的档位是20V0A，纹波峰峰值为44mVp-p。

带载纹波

首先看看220V 50Hz电压下的带载纹波，纹波峰峰值最高的是20V3.25A档位，纹波峰峰值为48mVp-p；纹波峰峰值最低的是5V3A档位，纹波峰峰值均为26.4mVp-p。再来看看110V 60Hz电压下的带载纹波表现如何，纹波峰峰值最高的是20V3.25A档位，纹波峰峰值为123mVp-p；纹波峰峰值最低的档位是5V3A，纹波峰峰值为28.8mVp-p。小结YD/T 1591-2009 通信行业标准中充电器纹波要求是不高于200mVp-p，南芯POWERQUARK® 65W 参考设计在220V 50Hz、110V 60Hz的输入电压下，所有输出功率纹波峰峰值均不高于128mVp-p，整体来看，表现相当不错。

充电头网总结

通过对南芯POWERQUARK®系列芯片的参考设计解析发现，整个参考设计只采用了一颗芯片就实现了传统充电器中多颗器件才能实现的功能，将原边控制器，GaN器件，光耦，同步整流控制器以及协议芯片全部集成在一个封装内部。在实际的测试中，这款参考设计的转换效率，待机功耗和兼容性都有很不错的表现。南芯POWERQUARK®芯片领先于同类产品，在集成度，可靠性，协议支持等多个方面均具有优势。