前言
2023年9月28日，代表智能工業發展風向標的意法半導體第五屆工業峰會在深圳福田香格里拉大酒店隆重揭幕，并且舉行了線上直播，可以直擊智能熱點，共享前沿資訊。本次峰會以聚焦永創新、助推可持續變革為主題。
如今，世界正面臨著非同尋常的挑戰，保護地球不是選擇而是勢在必行。半導體生態系統承載了引領和推動快速創新的重要使命。作為可持續發展的重要推動者，意法半導體堅定承諾，肩負責任，積極參與可持續展創新。通過意法半導體優化智能（數字化）、能源及電力轉換來促進生產可再生能源、實現更高能效。同時，我們以前沿的產品及方案為碳減排開道，加速碳中和目標的實現，打造一個可持續發展的未來。通過本次峰會，意法半導體將與您共同探索前沿電力轉換和能源解決方案，實現電力應用的更高能效，促進可再生能源發展。
本次峰會上意法半導體研發（深圳）有限公司應用工程師劉品為大家帶來了《基于VIPerGaN的快充解決方案》的精彩演講。
本次演講分為4個部分，分別是ST VIPer系列介紹、集成式GAN芯片的優勢、VIPerGaN性能介紹、方案關鍵測試結果。接下來讓我們進入本次演講的第一部分ST VIPer的系列介紹。
以上是 VIPerPlus 系列的產品線，是意法半導體針對電源領域開發的產品。 VIPerPlus 系列的產品經過二十多年的迭代更新，加之長期與客戶進行產品的磨合與調試，獲得更高的可靠性和穩定性，同時豐富了VIPerPlus 系列產品線的矩陣。
經過多年發展，VIPerPlus 系列的產品也引入了氮化鎵技術加持，研發出新一代的VIPerGaN產系列產品，得益于氮化鎵技術高效、高功率密度的特點，將VIPerGaN產系列產品的功率上限提升到了100W，獲得更廣泛的應用空間。
VIPerGaN是一款高集成的氮化鎵芯片，擁有先進的PWM控制器和650V GaN 功率管，集成了高壓啟動功能、空載損耗小于30mW、自適應動態消隱時間和可調整的谷底同步、自適應打嗝模式等，還擁有完善的保護功能，開關頻率高達240kHz。是一顆高效率、高功率密度的芯片，采用QFN5x6封裝工藝，有效優化PCB板的布局空間和減少外圍元器件，獲得更好的EMI表現，該方案在滿足能效要求的同時還擁有較低的 BoM 費用，十分適合充電器及適配器、家電、空調、消費品等領域的廠商應用。
集成GaN芯片的好處是，在芯片內部實現了氮化鎵的直驅，通過合封方案，進一步減少因外部走線導致的寄生參數，從而減少寄生振蕩對高頻開關的影響，最大程度上抑制了氮化鎵受干擾的問題，相比分離式GaN解決方案，擁有更多優勢。
以上是VIPerGaN的引腳分布圖，從圖中可以看到VIPerGaN的管腳非常少，但是功能配置十分豐富和靈活，不同引腳可以實現不同的功能，擁有完善的保護功能。
VIPer系列的產品根據輸入 OVP/BRin-out 設置，在輸入電壓不定的情況下擁有更高的可靠性。Brown-in 保護功能是用于定義最小的輸入起機電壓時，電壓高于設定電壓時，芯片才會發出PWM驅動；Brown-out 用于定義輸入關機電壓時，電壓低于設定的電壓，芯片會關閉驅動，從而起到保護產品的作用；輸入OVP保護功能在輸入母線電壓過壓的時候起到保護變換器的作用。如果用戶無需采用此功能，直接對地短接即可。
動態消隱時間的好處。為了提高高壓輸入的效率，降低高壓輸入時的開關頻率，意法半導體在方案中增加了動態消隱時間可調的功能，如圖所示，增加后對于結溫、開關損耗等均有不同程度的優化。
VIPer系列的產品擁有動態消隱時間和谷底同步功能。驅動開通的延遲時間可以通過外圍電阻調節以達到準確的谷底開通。QR模式反激變換器的開關頻率會隨著輸入電壓升高而增大，VIPERGAN50可以通過動態消隱時間限制高壓輸入情況下的最大工作頻率。實現在不同負載和不同輸入電壓情況下最大程度降低開關損耗，提高效率。
輸出OVP主要通過檢測ZCD腳的電壓和與內部的基準進行比較，判斷是否過壓。為了避免管子關斷時候的瞬時尖峰導致誤判斷，電壓檢測會在管子關斷延遲一段時間后窗口內完成。如果電壓采樣超過了內部參考VOVP(2.5V典型值)，功率管停止工作。
為了進一步防止噪聲干擾造成的意外觸發保護，OVP比較器必須連續4次觸發芯片才會做出應答一旦OVP保護被觸發，功率管停止工作，VDD周期性的重新復位，并等待TRESTART(1秒 典型值)時間過后檢查VDD是否達到開機電壓VDD-ON，達到條件后軟起動開機。
過載保護功能。當過載或者短路的情況下，檢測到電流超過IDLIM 累計TOVL(50ms 典型值）時間后，管子停止工作并維持TRESTART時間(1 sec 典型值)。在此過程中VDD周期性的重新復位，TRESTART 時間過后，如果供電滿足條件，功率管重新軟啟動。打嗝模式一直持續直到過載工況消夫。
以上是45W QR模式反激式變換器，應用了VIPerGaN50的解決方案。QR 控制器采用VIPERGAN50，SR 控制器采用SRK1001，同步整流采用STL100N10F7，PD 控制器采用STUSB4761組成的方案。支持90V~264V的寬幅輸入和5 VDC~20 VDC的輸出，支持USB-PD協議，最大功率為45W。該方案擁有非常緊湊簡潔的PCB布局，有效減小器件數量，非常適合廠商應用開發。
以上是45W QR 模式反激式變換器主拓撲電路框圖，從圖中可以看到，該方案的外圍器件非常少，電路非常簡潔。
如圖所示，應用了VIPerGaN50的解決方案，QR控制器自帶自適應的調整機制，在不同輸出情況下，選擇不同工作模式，無論在什么模式下，都實現了氮化鎵的谷底開通。在輕載時工作在 Valley skipping 及 Burst 式，以提高輕載效率。
以上是45W USB PD適配器進行115Vac 輸入效率測試的曲線圖，滿足DoE 6級 & CoC 二級能效要求。
以上是45W USB PD適配器進行 230Vac 輸入效率測試的曲線圖，同樣滿足DoE 6級 & CoC 二級能效要求。
45W USB PD適配器效率曲線的10%負載時效率和4點平均效率對比圖，對比的是45W USB PD適配器的115Vac輸入和230Vac 輸入情況下、與EU COC Rev 05- Tier2 Limit 的對比，如圖所示，45W USB PD適配器的測試結果均超過DoE 6級 & CoC 二級能效要求。
以上是45W USB PD適配器的溫升測試，在115V輸入，45W輸出時，相關元器件的溫升情況如右圖所示。
45W USB PD 傳導測試，主要是針對EMI的測試，如圖所以，傳導測試通過EN55032 classB 且有6dB 以上的裕量。
在45W的基礎上，意法半導體開發出效率表現更加優秀的65W Demo，原邊采用VIPERGAN65打造而成。支持90V~264V的寬幅輸入和5V~20V的輸出，支持USB-PD協議，最大功率為65W。
65W USB PD 傳導測試，主要是針對EMI的測試，如圖所以，傳導測試通過EN55032 classB 且有6dB 以上的裕量。
以上是65W USB PD適配器進行90Vac 輸入效率測試的曲線圖，在滿載65W輸出時，轉換效率達到91.8%，4點的平均效率在92%左右，遠高于DoE 6級 & CoC 二級能效要求。
以上是65W USB PD適配器進行230Vac 輸入效率測試的曲線圖，在65W輸出時，轉換效率高達93.82%。
以上是采用VIPerGaN100開發出的100W 適配器 Demo，原邊采用VIPERGAN100，控制器采用L6564打造而成，同樣支持90V~264V的寬幅輸入和5V~20V的輸出，該方案效率可達92.6%，功率密度大于24 W/in3。
充電頭網總結
堅持可持續發展理念，要積極提升轉型發展理念，推進產業綠色發展。綠色發展同樣包括電源產業中的各個領域，包括產業的上中下游，電源產業的企業需要不斷進行創新與綠色相融合，開發出更多綠色電源產品，而意法半導體推出基于VIPerGaN產品開發出來的適配器解決方案，就是一個很好的例子，不僅優化了PCB的布局，還擁有簡潔的外圍，減少不必要的電子垃圾產生，同時以上方案不僅滿足廠商高效率的要求，還滿足DoE 6級 & CoC 二級能效的要求，助力快充廠商構建出清潔低碳高效的快充產品。
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