意法半導(dǎo)體如何打造高功率密度USB-PD充電器

???????手機廠家在充電器上的內(nèi)卷程度絲毫不亞于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。隨著電池充電技術(shù)的快速發(fā)展，USB-PD適配器的功率等級也在迅速增加，從最初的5V/1A到現(xiàn)在很多手機標(biāo)配的120W快充。USB協(xié)會也在2021年6月發(fā)布了USB PD 3.1標(biāo)準(zhǔn)，直接把USB-C口的充電功率提升到了48V/5A—240W，給充電器內(nèi)卷又加了一把火。

充電器的功率越來越大讓一個問題凸顯出來：充電器的尺寸是否也會無限制增長?從便攜性的角度出發(fā)，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。如何在現(xiàn)有的條件下提高產(chǎn)品的功率密度?

ST專家為你詳解ST-ONE+ MasterGaN解決方案如何打造高功率密度USB-PD充電器。

01 USB PD適配器中使用的主要拓?fù)?/p>

根據(jù)市場上的主流產(chǎn)品，USB PD充電器可分成三個功率段：45W以下，45W到100W，100W以上。45W以下，QR反激拓?fù)涫墙^對的霸主。當(dāng)功率上升到65W，有源鉗位反激拓?fù)涑霈F(xiàn)在了一些產(chǎn)品中;功率等級上升到100W以上，PFC+LLC/ACF/AHB都可以覆蓋相關(guān)應(yīng)用，根據(jù)具體的應(yīng)用，充電口的數(shù)量來選擇不同的拓?fù)洹６煌耐負(fù)渌軐崿F(xiàn)的功率密度也大不相同。QR反激拓?fù)涞墓β室话銜?W/cm3以內(nèi)，而ACF可以輕松達到1.5W/cm3。

▲不同功率段適配器中主要使用的拓?fù)?/p>

為什么傳統(tǒng)反激和有源鉗位反激在功率密度上會有如此顯著的差距?主要是由二者不同的工作原理決定的。

傳統(tǒng)反激的工作原理是：主開關(guān)管開通時，能量被存儲在變壓器中，并在主開關(guān)管關(guān)斷后傳遞到副邊，而變壓器漏感產(chǎn)生的能量則被存儲在C2中，最后通過R2消耗掉，產(chǎn)生了損耗。

而有源鉗位反激在傳統(tǒng)反激的基礎(chǔ)上衍生出來的拓?fù)洌畲蟮膮^(qū)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(huán)利用，并且實現(xiàn)了主開關(guān)管的ZVS，從而降低了開關(guān)損耗。所以相較于傳統(tǒng)反激，有源鉗位反激可以實現(xiàn)更高的工作頻率，更高的效率，更好的EMI特性，以及更高的功率密度。但相比傳統(tǒng)反激，它也有一些不足之處，例如鉗位開關(guān)管控制需要高壓隔離驅(qū)動，控制方式更為復(fù)雜。而傳統(tǒng)反激由于沒用到鉗位開關(guān)管，所以成本更低，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。

02 ST-ONE：適用于USB-PD充電器的全集成數(shù)字控制器

ST最新ACF控制器——ST-ONE是適用于USB-PD充電器的全集成數(shù)字控制器。ONE代表這是一顆ALL IN ONE的全集成芯片，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(shù)，同時還集成了USB-PD協(xié)議控制器，最大限度減少BOM物料數(shù)量。ST-ONE可支持單口或多口輸出應(yīng)用，可實現(xiàn)大于30W/inch3的功率密度，峰值效率超過95%，開關(guān)頻率最高支持1MHz，并且已經(jīng)通過USB-PD 3.1 PPS認(rèn)證，是設(shè)計輕量化，小型化，大功率適配器的理想選擇。

▲ST-ONE的典型應(yīng)用電路，我們可以看到，外圍電路非常的簡潔，可以幫助研發(fā)人員大大的降低設(shè)計難度，縮短從設(shè)計到量產(chǎn)的時間，快速的推動產(chǎn)品上市。

ACF拓?fù)涓鶕?jù)控制方式的不同，又分為互補式和非互補式。互補式，也就是鉗位開關(guān)和主開關(guān)互補導(dǎo)通，實現(xiàn)了ZVS;而經(jīng)典的非互補式，鉗位開關(guān)管只在副邊電流過零的時候開啟一次，在實現(xiàn)ZVS的同時減少了鉗位開關(guān)的RMS電流。而ST的ACF控制器采用了非互補式控制方式，但在經(jīng)典的非互補式控制的基礎(chǔ)上，鉗位管分別在主開關(guān)管關(guān)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(guān)的反向?qū)〒p耗，特別適合氮化鎵的應(yīng)用場合。同時副邊同步整流管的應(yīng)力也非常小，所以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。

▲互補式控制，經(jīng)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(nèi)部有一顆32位Cortex M0+內(nèi)核以及64K Flash，數(shù)字控制可以根據(jù)不同負(fù)載使轉(zhuǎn)換器工作在不同的模式。例如工作在連續(xù)模式，連續(xù)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。

好用的圖形用戶界面是ST-ONE另一大優(yōu)勢。ST-ONE GUI是一種幫助開發(fā)人員設(shè)置和監(jiān)控ST-ONE行為的工具，從客戶設(shè)計產(chǎn)品之初一直到生產(chǎn)階段都可以使用。基本功能包括：閃存內(nèi)容的讀寫，處理自動化工業(yè)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(shè)計環(huán)路。

03 氮化鎵在電源中的應(yīng)用優(yōu)勢

這些年，以碳化硅，氮化鎵為首的第三代半導(dǎo)體成為熱門話題，新的應(yīng)用層出不窮，大有取代傳統(tǒng)硅基晶體管之勢。目前市場上的氮化鎵器件普遍有兩種方案，一種是分立方案，類似傳統(tǒng)的硅MOS;另一種就是MasterGaN所采用的集成驅(qū)動方案。

目前市場上主流E-MODE氮化鎵晶體管的柵極開通門檻電壓Vgsth比較低，通常為1.2V左右，在關(guān)斷時很容易因為高dV/dt和驅(qū)動回路里的雜散電感造成柵極振鈴并導(dǎo)致管子誤開通，在半橋結(jié)構(gòu)拓?fù)淅铮瑫斐蓢?yán)重失效故障。而集成驅(qū)動方案由于其極低的雜散電感，可以很好解決這個問題。同時，電源回路里的雜散電感降低，還可以降低Vds電壓峰值，減小開關(guān)損耗，改善EMI性能。

總而言之，氮化鎵與驅(qū)動集成的方案優(yōu)勢包括：

1. 優(yōu)化柵極驅(qū)動布局，效率很高;

2. 寄生效應(yīng)小，可增加開關(guān)頻率，提高功率密度;

3. 采用緊湊的單芯片解決方案，簡化了設(shè)計。

04 ST MasterGaN引領(lǐng)氮化鎵充電技術(shù)新浪潮

針對ACF/半橋等應(yīng)用，ST引領(lǐng)氮化鎵充電技術(shù)新浪潮，推出了全球第一款半橋架構(gòu)，并且集成驅(qū)動的氮化鎵芯片——MasterGaN，推動電源性能全面超越傳統(tǒng)硅基晶體管方案。

MasterGaN平臺首發(fā)的五款產(chǎn)品現(xiàn)已全部實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，分別是上下管非對稱半橋結(jié)構(gòu)的MasterGaN 2和3，非常適合用于有源鉗位反激拓?fù)洹Ｉ舷鹿転閷ΨQ半橋結(jié)構(gòu)的MasterGaN1/4/5，Rdson從150 mΩ至450 mΩ不等，最大可支持400W應(yīng)用，通常用于LLC和ACF拓?fù)洹Ｈ课蹇町a(chǎn)品都是pin to pin兼容，可以輕松替換。

05 基于ST-ONE和MasterGaN2的65W USB-PD快充解決方案

ST-ONE+MasterGaN方案使用了平面變壓器的65W PD電源demo板，關(guān)鍵器件包括主控制器ST-ONE，原邊開關(guān)管MasterGaN2和副邊100V的同步整流管STL90N10F7。該電源支持90-264V的全電壓輸入，5-20V輸出，最大輸出功率65W，滿足歐盟和美國最新的能效要求。借助ST-ONE和MasterGaN2兩顆高集成度的芯片，實現(xiàn)了大于30W/inch3的功率密度，空間布局非常寬松。

▲Demo板主電路部分，PCB布局簡潔，電源內(nèi)部空間開闊，功率密度還可進一步提升。

MasterGaN2是一顆耐壓650V，下管導(dǎo)通阻抗150mΩ，上管導(dǎo)通阻抗225mΩ的氮化鎵芯片，內(nèi)部集成了豐富的保護，包括上下管的互鎖功能，這在半橋架構(gòu)中非常有用，可以有效避免上下管直通造成的失效。同時，3.3-15V的PWM輸入擴展范圍，可輕松支持?jǐn)?shù)字控制方案。ST-ONE同樣也支持多工作模式，根據(jù)不同的輸入和負(fù)載條件，ACF拓?fù)鋾ぷ髟诓煌Ｊ健臐M載到輕載分別工作在正常模式，跳谷底模式，以及間歇工作模式，有助于提高輕載效率。

ST-ONE+ MasterGaN是適用于高功率密度USB-PD充電器的理想解決方案，可以將充電器的尺寸減少4倍，相當(dāng)于減少200萬噸的物料浪費，同時效率高達94%，節(jié)省的能源相當(dāng)于三座核電站的年發(fā)電量!