测试对象:
本次测试的开发板为VHFG610-45-MP9989A-00A评估板,主要用于演示HFG610-45和MP9989A的功能。该板尺寸小巧,功率密度高,其电气规格非常适合手机和电脑电源适配器。该板具备超低空载功耗(<30mW),整体效率高,符合美国能源部 (DOE) VI级和欧盟委员会 (CoC) Tier2标准。本开发板是典型的离线反激+GaN+QR+USB-C PD设计方案。输入电压支持90Vac-264Vac,频率支持47Hz to 63Hz.
上图是这款开发板AC-DC部分的原理图,可以看到其反激控制使用的是HFG610-45,作为一款高集成度的准谐振(QR)反激式控制器,与GaN HEMT共封装,这种设计极大地提升了电路的性能和高频工作能力。与传统QR反激式稳压器相比,HFG610-45通过频率折返功能确保了全负载范围内的高效率。注意HFG610-45是基于副边稳压 (SSR) 的原边稳压器,需要搭配副边反馈电路工作。高频设计允许使用更小的无源元件,如电感和电容,从而实现了更高的功率密度和更紧凑的电路设计。高集成度减少了外部元件数量,简化了电路设计,同时提高了系统的可靠性和效率。高频设计进一步提升了功率密度,使得开发板尺寸小巧,非常适合手机和电脑电源适配器等空间受限的应用场景,例如本次的PD适配器。
输出使用了MP9989A,这是一款集成100V/10mΩ MOSFET、可用于反激式变换器的快速关断智能整流器。它可以替代二极管整流器,以提供更高效率和功率密度。该器件可将内部功率 MOSFET 的正向压降 (VFWD) 调节至 40mV,并在漏源电压 (VDS) 反转之前关断。MP9989A无需辅助绕组即可自行产生电源电压,非常适合要求低输出电压 (VOUT) 的充电器应用,以及其他采用高边设置的适配器应用。其内部振铃检测电路可防止器件在非连续导通模式 (DCM) 或准谐振 (QR) 模式期间误开启。
当然这套完整的方案直接集成了PD控制器,可以输出为 20V/2.25A、15V/3A、12V/3A、9V/3A 或 5V/3A:
这是一个好事,整个开发板可以直接作为一个适配器使用了,但是对测试也不是一件好事,由于一些限制我们没法破坏性改装,有关反激设计输出端的测试只能测到电压了,没法看到整个反激设计方案的输出功率情况。
测试设备
可调交流电源(90–264VAC,47–63Hz)
USB-C PD 诱骗器
电子负载
万用表
热像仪
测试连接拓扑
可调交流电源以及PD诱骗器以及电子负载实际上都可以继续电压电流的显示,万用表用于中间状态(电压)的测试。
整体的硬件连接如下:
功能测试
本方案集成了PD功能,可以输出为 20V/2.25A、15V/3A、12V/3A、9V/3A 或 5V/3A,我们首先测试的内容就是能不能正常输出,电流源设定为常用的输出220V/50Hz,当然直接家用电源连接也可以,这个时候我们依次调整PD诱骗器并同时调节电子负载为满载状态,看一下输出电压是否正常诱骗模式的电压,同时看一下万用表对反激输出的测试情况。
| 输入设定 | PD诱骗模式 | 电子负载配置 | 输入电流 | 输入电源功率 | 诱骗器电压 | 电子负载电压 | 电子负载功率 | 电压 | 万用表电压 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 220V/50Hz | 5V | 3.001A | 0.146A | 17.89w | 4.533V | 4.115V | 12.354w | ||
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| 9V | 3.003A | 0.233A | 29.94w | 8.381V | 7.930V | 23.814w | |||
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| 12V | 3.001A | 0.294A | 38.84w | 11.21V | 10.772V | 32.336w | |||
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| 15V | 3.002A | 0.358A | 48.24w | 14.236V | 13.795V | 41.413w | |||
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| 20V | 1.999A | 0.323A | 42.98w | 19.52V | 19.214V | 38.325w | |||
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我们可以看到电子负载满载情况下输出电压都会有不同程度得压降,这里得主要原因是测试使用得线材太长,整体得压降和功率输出到最终段都会有所下降,尤其是中间还连接了一个PD诱骗器,不过整体得输出功能正常。
性能测试
空载测试
空载测试的表现主要影响的是我们在不使用但是连接交流电的情况下的耗能,空载测试我们这边有两个测试内容,其中一个是真正的空载,就是直接PD诱骗器都不连接,直接测试功耗(电流+电压),另外一个是PD诱骗成功好的空载情况,这个功耗实际上还包括PD诱骗的功耗。
| 设定输入电压 | PD诱骗模式 | 输入电流 | 等效功率 |
|---|---|---|---|
| 90V/60Hz | 不连接 | / | / |
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| 115V/60Hz | 不连接 | / | / |
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| 230V/50Hz | 不连接 | / | / |
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| 264V/50Hz | 不连接 | / | / |
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| 90V/60Hz | 20V | 0.018A | 0.61w |
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| 115V/60Hz | 20V | 0.017A | 0.66w |
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| 230V/50Hz | 20V | 0.017A | 1w |
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| 264V/50Hz | 20V | 0.018A | 1.13w |
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我们再进行空载测试的时候,如果不进行PD诱骗的实际功耗在交流电源上无法测得实际数字的,也就说这个参数调小了,几乎可以忽略。通过PD诱骗出输出后,不连接具体的负载,电压比较小的时候也是功耗比较小不显示,当PD输出电压位12V及以上的时候会有可测得的实际电流产生。
带载测试
输入变化对输出影响
由于本开发板具有一个比较宽的输入电压范围,首先进行一下输入变化测试,同时观察各节点输出的变化,以及转化效率。
| 设定输入电压 | PD诱骗模式 | 负载电流设置 | 输入电流 | 等效功率 | 电子负载电压 | 电子负载电流 | 转换效率% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 90V/60Hz | 5V | 3A | 0.318A | 17.53w | 4.095V | 12.293w | 70.12 |
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| 115V/60Hz | 5V | 3A | 0.272A | 17.55w | 4.095V | 12.293w | 70.04 |
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| 230V/50Hz | 5V | 3A | 0.141A | 17.87w | 4.095V | 12.298w | 68.82 |
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| 264V/50Hz | 5V | 3A | 0.128A | 18.18w | 4.095V | 12.293w | 68.35 |
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| 90V/60Hz | 12V | 3A | 0.667A | 38.99w | 10.761V | 32.275w | 82.77 |
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| 115V/60Hz | 12V | 3A | 0.561A | 38.61w | 10.751V | 32.275w | 83.59 |
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| 230V/50Hz | 12V | 3A | 0.285A | 38.91w | 10.751V | 32.275w | 82.95 |
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| 264V/50Hz | 12V | 3A | 0.256A | 39.15w | 10.751V | 32.275w | 82.43 |
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| 90V/60Hz | 20V | 2A | 0.774A | 43.01w | 19.214V | 38.442w | 89.37 |
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| 115V/60Hz | 20V | 2A | 0.619A | 42.93w | 19.214V | 38.442w | 89.54 |
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| 230V/50Hz | 20V | 2A | 0.313A | 43.03w | 19.214V | 38.446w | 89.34 |
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| 264V/50Hz | 20V | 2A | 0.279A | 43.25w | 19.214V | 38.446w | 88.89 |
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大家可以在上面的表格中可以看到,哪怕是存在线材上的消耗,整体的转化率还是不错的,基本规律是输入电压越低转化的效率会越高,不过注意一个现象PD输出电压为12V和20V的时候115V输入交流电的效率相对其他情况要高,也就是说趋势实际上不是一条一致的曲线。
负载变化对输入的影响
本测试主要测试的在轻负载、中度负载以及中毒负载的情况下对输入的影响,主要通过修改电子负载的参数看一下输出参数的变化以及转化效率的变化。这里我们选择的PD模式是两个极限的模式,输入电压模式也是两个极限的模式,负载选择为33%、66%、100%。
| 设定输入电压 | PD诱骗模式 | 负载电流 | 输入电流 | 等效功率 | 电子负载电压/功率 | 转化效率% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 90V/60Hz | 5V | 1A | 0.122 | 5.89 | 4.866/4.858 | 82.47 |
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| 5V | 2A | 0.227 | 11.56 | 4.440/8.916 | 77.12 | |
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| 5V | 3A | 0.333 | 17.55 | 4.095/12.288 | 70.02 | |
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| 264V/50Hz | 5V | 1A | 0.051 | 6.47 | 4.846/4.851 | 74.98 |
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| 5V | 2A | 0.09 | 12.35 | 4.44/8.919 | 71.18 | |
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| 5V | 3A | 0.128 | 18.27 | 4.155/12.356 | 67.62 | |
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| 90V/60Hz | 20V | 1A | ||||
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| 20V | 2A | 0.773 | 43.15 | 19.214/38.422 | 89.04 | |
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| 264V/50Hz | 20V | 1A | 0.407 | 21.77 | 19.64/19.677 | 90.38 |
| undefined | :—: | :—: | :—: | :—: | :—: | :—: |
| 20V | 2A | 0.773 | 43.16 | 19.214/38.422 | 89.02 | |
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上表
发热情况测试
本次测试选用常规供电、PD诱骗模式5V/3A满载情况下的板载各部位的发热情况,不同使用时间的发热趋势测试。
5V3A负载的升温情况:
初始发热分布:
1min发热分布:
3min发热分布:
5分钟发热分布:
20V2.25A负载得升温情况:
初始发热分布:
1min发热分布:
3min发热分布:
5分钟发热分布:
我们分别选取了两个PD输出进行测试,都是满载的情况进行的,可以看到不同的PD输出对应的最大发热点是不同的,PD输出为5V时MP9989发热比较严重,PD输出为20V时HFG610发热比较严重,不过基本上都在5min之后达到了当前的热平衡,目前看到的发热情况只是当前环境的测试温度(没有外壳)。













