文章重點

1)提高充電器的效率和功率密度是大勢所趨2)ST-ONE所采用的ACF拓撲有助于提高效率和功率密度，是快充產品的最佳選擇3)MasterGaN為代表的氮化鎵技術推動功率轉換實現了飛躍，必將引領新的潮流。

引言

本文首先回顧了USB-PD適配器的發展，并和大家聊一聊USB-PD適配器中常見的拓撲。接著著重介紹ST在快充領域的最新產品和技術路線。最后我們會以demo板為例，跟大家探討一下USB-PD適配器的技術細節和設計時的注意事項。

電源無處不在，我們的生活中隨處可見各種各樣的電源產品，小到手機充電器，大到太陽能光伏陣列，電源把電網中的澎湃電能轉化成各種我們需要的電壓為不同的設備供電，維持著整個現代社會的高速運轉。正因為電源充斥著我們的生活各個角落，隨著全球各國碳達峰，碳中和目標的制定，能源的有效利用就變得尤為關鍵和重要。

隨著這些年電池充電技術的快速發展，USB-PD適配器的功率等級也在迅速增加，從最初的5伏1安到現在很多手機標配的120W快充，手機廠家在充電器上內卷的程度絲毫不亞于互聯網行業。甚至USB協會也在2021年6月發布了USB PD 3.1標準，直接把USB-C口的充電功率提升到了48V/5A—240W，給充電器內卷又加了一把火。隨著充電器的功率越來越大，一個問題就凸顯出來：充電器的尺寸是否也會無限制的增長?從便攜性的角度出發，這顯然是不可能的，于是就引出了另一個重要概念——功率密度。

電源產品的功率密度一般是指單位體積能夠提供的功率，單位一般是瓦/立方厘米或者瓦/立方英寸。簡而言之就是如何在更小的空間里提供更多的能量。為什么功率密度如此重要?我們先來看看提高功率密度能帶來哪些顯而易見的好處。提高功率密度，首先相同功率的電源，尺寸和重量都降低了，這樣能夠節省整體物料的體積和成本，同時產品的安裝和維護更輕松便捷，從另一個方面節約了成本。對于那些需要隨聲攜帶的產品，變小了以后便攜性也得到了提升。既然功率密度如此重要，那么如何在現有的條件下提高產品的功率密度呢?

在回答這個問題前，我們先來了解一下目前不同功率段適配器中主要使用的拓撲。首先我們根據市場上的主流產品，把充電器分成三個功率段：45W以下，45W到100W，100W以上。45W以下，QR反激拓撲是絕對的霸主。而當功率上升到65W，有源鉗位反激拓撲也出現在了一些產品中;當功率等級上升到100W以上時，PFC+LLC/ACF/AHB都可以覆蓋相關應用，根據具體的應用，充電口的數量來選擇不同的拓撲。而不同的拓撲所能實現的功率密度也大不相同。QR反激拓撲的功率一度一般會在1W/立方厘米以內，而ACF可以輕松達到1.5W/立方厘米。

【圖為不同功率段適配器中主要使用的拓撲】

那么為什么傳統反激和有源鉗位反激相比，在功率密度上會有如此顯著的差距呢?主要是由二者不同的工作原理決定的。傳統反激的工作原理相信大家都很清楚了，主開關管開通時，能量被存儲在變壓器中，并在主開關管關斷后傳遞到副邊，而變壓器漏感產生的能量則被存儲在C2中，最后通過R2消耗掉，產生了損耗。而有源鉗位反激在傳統反激的基礎上衍生出來的拓撲，最大的區別就在于通過對鉗位管的控制，使之前存儲在C2里的漏感能量被循環利用了，并且實現了主開關管的ZVS，從而降低了開關損耗。所以相較于傳統反激，有源鉗位反激可以實現更高的工作頻率，更高的效率，以及更好的EMI特性。自然也就實現了更高的功率密度。ACF的優點顯而易見，但是相比傳統反激，它也有一些不足之處，例如鉗位開關管的控制需要高壓隔離驅動，控制方式更為復雜。而傳統反激由于沒用到鉗位開關管，所以成本上更低，控制方式更簡單。但是在需要更高功率密度的場合，ACF顯然是更好的選擇。

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下面我們就來著重介紹一下ST最新的ACF控制器——ST-ONE，適用于USB-PD充電器的全集成數字控制器。

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ONE代表這是一顆ALL IN ONE的全集成芯片，一顆芯片跨越了原副邊，其中包含了原邊高壓啟動及X電容放電電路，有源鉗位反激控制，副邊同步整流控制以及大于6.4KV的專利的原副邊隔離技術，同時芯片還集成了USB-PD協議控制器。可以說一個PD充電器的所有控制單元都被集成在了一顆芯片里，最大限度的幫助設計人員減少BOM中的物料數量。ST-ONE可支持單口或多口輸出的的應用，設計的電源可實現大于30W/inch3的功率密度，峰值效率超過95%，開關頻率最高支持1MHz，并且已經通過了USB-PD 3.1 PPS認證。是設計輕量化，小型化，大功率適配器的最佳選擇。

【上圖為ST-ONE的典型應用電路，我們可以看到，外圍電路非常的簡潔，可以幫助研發人員大大的降低設計難度，縮短從設計到量產的時間，快速的推動產品上市。】

ACF拓撲根據控制方式的不同，又可以分為互補式和非互補式。所謂互補式，也就是鉗位開關和主開關互補導通，實現了ZVS;而經典的非互補式，鉗位開關管只在副邊電流過零的時候開啟一次，在實現ZVS的同時減少了鉗位開關的RMS電流。而ST的ACF控制器也采用了非互補式控制方式，但在經典的非互補式控制的基礎上，鉗位管分別在主開關管關斷后和副邊過零時開啟兩次，這樣做的好處除了上面提到的兩點，還可以降低鉗位開關的反向導通損耗，特別適合氮化鎵的應用場合。同時我們可以看到副邊同步整流管的應力也非常小，所以我們可以選擇耐壓更低的同步整流管，在降低成本的同時也有助于EMI。

【上圖清晰的描述了互補式控制，經典非互補式控制以及ST的非互補式控制各自的工作方式和特點。】

ST-ONE內部有一顆32位Cortex M0+的內核以及64K Flash，所以本質上這是一顆數字控制器。數字控制可以方便的根據不同負載使轉換器工作在不同的模式。例如工作在連續模式，從下圖的對比可以看到，連續模式下的原邊電流有效值明顯減小，在5V輸出條件下測得1.5%的效率提升，同時還可以減小變壓器的尺寸，提高功率密度。

既然是數字控制器，那自然少不了好用的圖形用戶界面。ST-ONE GUI是一種開發用于幫助開發人員設置和監控ST-ONE行為的工具。它可以從客戶設計產品之初一直到生產階段被使用。基本功能包括：閃存內容的讀寫，處理自動化工業燒錄。特有的功能包括讀取即時信息，實時了解電源工作狀況，幫助更好的設計環路。

總結一下，ST-ONE是一顆集成度非常高的控制器，集成了所有的電源控制部分，并且采用ACF的控制方式，非常適合氮化鎵的應用。相信大家也注意到了，為了使芯片不要過于臃腫，并且方便設計人員對功率進行擴展，ST-ONE內部并沒有集成功率器件。所以針對ACF/半橋等應用，ST引領氮化鎵充電技術新浪潮，推出了全球第一款半橋架構，并且集成驅動的氮化鎵芯片——MasterGaN，推動電源的性能全面超越傳統硅基晶體管方案。

審核編輯：湯梓紅

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