前言
2023年9月28日，代表智能工業(yè)發(fā)展風(fēng)向標(biāo)的意法半導(dǎo)體第五屆工業(yè)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(chuàng)新、助推可持續(xù)變革為主題。
如今，世界正面臨著非同尋常的挑戰(zhàn)，保護地球不是選擇而是勢在必行。半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)承載了引領(lǐng)和推動快速創(chuàng)新的重要使命。作為可持續(xù)發(fā)展的重要推動者，意法半導(dǎo)體堅定承諾，肩負責(zé)任，積極參與可持續(xù)展創(chuàng)新。通過意法半導(dǎo)體優(yōu)化智能（數(shù)字化）、能源及電力轉(zhuǎn)換來促進生產(chǎn)可再生能源、實現(xiàn)更高能效。同時，我們以前沿的產(chǎn)品及方案為碳減排開道，加速碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)，打造一個可持續(xù)發(fā)展的未來。通過本次峰會，意法半導(dǎo)體將與您共同探索前沿電力轉(zhuǎn)換和能源解決方案，實現(xiàn)電力應(yīng)用的更高能效，促進可再生能源發(fā)展。
本次峰會上意法半導(dǎo)體研發(fā)（深圳）有限公司應(yīng)用工程師劉品為大家?guī)砹恕痘赩IPerGaN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(yōu)勢、VIPerGaN性能介紹、方案關(guān)鍵測試結(jié)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(chǎn)品線，是意法半導(dǎo)體針對電源領(lǐng)域開發(fā)的產(chǎn)品。 VIPerPlus 系列的產(chǎn)品經(jīng)過二十多年的迭代更新，加之長期與客戶進行產(chǎn)品的磨合與調(diào)試，獲得更高的可靠性和穩(wěn)定性，同時豐富了VIPerPlus 系列產(chǎn)品線的矩陣。
經(jīng)過多年發(fā)展，VIPerPlus 系列的產(chǎn)品也引入了氮化鎵技術(shù)加持，研發(fā)出新一代的VIPerGaN產(chǎn)系列產(chǎn)品，得益于氮化鎵技術(shù)高效、高功率密度的特點，將VIPerGaN產(chǎn)系列產(chǎn)品的功率上限提升到了100W，獲得更廣泛的應(yīng)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(yīng)動態(tài)消隱時間和可調(diào)整的谷底同步、自適應(yīng)打嗝模式等，還擁有完善的保護功能，開關(guān)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(yōu)化PCB板的布局空間和減少外圍元器件，獲得更好的EMI表現(xiàn)，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(diào)、消費品等領(lǐng)域的廠商應(yīng)用。
集成GaN芯片的好處是，在芯片內(nèi)部實現(xiàn)了氮化鎵的直驅(qū)，通過合封方案，進一步減少因外部走線導(dǎo)致的寄生參數(shù)，從而減少寄生振蕩對高頻開關(guān)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(yōu)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(xiàn)不同的功能，擁有完善的保護功能。
VIPer系列的產(chǎn)品根據(jù)輸入 OVP/BRin-out 設(shè)置，在輸入電壓不定的情況下?lián)碛懈叩目煽啃?。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(shè)定電壓時，芯片才會發(fā)出PWM驅(qū)動；Brown-out 用于定義輸入關(guān)機電壓時，電壓低于設(shè)定的電壓，芯片會關(guān)閉驅(qū)動，從而起到保護產(chǎn)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(tài)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(guān)頻率，意法半導(dǎo)體在方案中增加了動態(tài)消隱時間可調(diào)的功能，如圖所示，增加后對于結(jié)溫、開關(guān)損耗等均有不同程度的優(yōu)化。
VIPer系列的產(chǎn)品擁有動態(tài)消隱時間和谷底同步功能。驅(qū)動開通的延遲時間可以通過外圍電阻調(diào)節(jié)以達到準(zhǔn)確的谷底開通。QR模式反激變換器的開關(guān)頻率會隨著輸入電壓升高而增大，VIPERGAN50可以通過動態(tài)消隱時間限制高壓輸入情況下的最大工作頻率。實現(xiàn)在不同負載和不同輸入電壓情況下最大程度降低開關(guān)損耗，提高效率。
輸出OVP主要通過檢測ZCD腳的電壓和與內(nèi)部的基準(zhǔn)進行比較，判斷是否過壓。為了避免管子關(guān)斷時候的瞬時尖峰導(dǎo)致誤判斷，電壓檢測會在管子關(guān)斷延遲一段時間后窗口內(nèi)完成。如果電壓采樣超過了內(nèi)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(fā)保護，OVP比較器必須連續(xù)4次觸發(fā)芯片才會做出應(yīng)答一旦OVP保護被觸發(fā)，功率管停止工作，VDD周期性的重新復(fù)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(dāng)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(fù)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(xù)直到過載工況消夫。
以上是45W QR模式反激式變換器，應(yīng)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(xié)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(shù)量，非常適合廠商應(yīng)用開發(fā)。
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(yīng)用了VIPerGaN50的解決方案，QR控制器自帶自適應(yīng)的調(diào)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(xiàn)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(jié)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(guān)元器件的溫升情況如右圖所示。
45W USB PD 傳導(dǎo)測試，主要是針對EMI的測試，如圖所以，傳導(dǎo)測試通過EN55032 classB 且有6dB 以上的裕量。
在45W的基礎(chǔ)上，意法半導(dǎo)體開發(fā)出效率表現(xiàn)更加優(yōu)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(xié)議，最大功率為65W。
65W USB PD 傳導(dǎo)測試，主要是針對EMI的測試，如圖所以，傳導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率高達93.82%。
以上是采用VIPerGaN100開發(fā)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(wǎng)總結(jié)
堅持可持續(xù)發(fā)展理念，要積極提升轉(zhuǎn)型發(fā)展理念，推進產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展。綠色發(fā)展同樣包括電源產(chǎn)業(yè)中的各個領(lǐng)域，包括產(chǎn)業(yè)的上中下游，電源產(chǎn)業(yè)的企業(yè)需要不斷進行創(chuàng)新與綠色相融合，開發(fā)出更多綠色電源產(chǎn)品，而意法半導(dǎo)體推出基于VIPerGaN產(chǎn)品開發(fā)出來的適配器解決方案，就是一個很好的例子，不僅優(yōu)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(chǎn)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(gòu)建出清潔低碳高效的快充產(chǎn)品。
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