文章來源：充電頭網

前言 構建新型電力系統，清潔低碳是目標。為此各行各業都在為發展綠色電源而努力，目前我國新的電源能效強制標準GB20943計劃2024年完成報批，協商的適用范圍：電源適配器、筆記本適配器、POE電源、PD快充、USB充電器、USB插頭、電動自行車充電器、電池充電器、臺式機PC電腦電源、工作站服務器電源、數據中心電源、工業電源、開架電源、導軌電源，有望覆蓋2000W功率各種形態開關電源產品，實現電源產業的低碳節能綠色發展。

??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 徐家龍，為大家帶來了《基于ST-ONEHP設計的140W USB-PD3.1充電方案》的精彩演講。EVLONE140W是第一個根據USB-PD 3.1 EPR標準參考設計認證。它支持寬的輸入電壓范圍，并支持SPR 4個檔位輸出，一個EPR 28V 140W輸出。

以上是140W USB-PD3.1設計的Demo圖和相關參數信息，支持USB-PD3.1的5V、9V、15V、20V、28V的輸出電壓和最大5A的電流輸出。EVLONE140W使用一體式數字控制方案和MasterGAN實現了更高的效率和更高的功率密度。EVLONE140W的體積僅為85x55x23.5mm，高的開關頻率實現了>25W/inch高功率密度，在90Vac、115Vac、230Vac滿載測試下，均實現了超過93%的電源轉化效率，其中在230Vac滿載測試中，轉化效率達到94.4%，滿足CoC Tier 2和DOE Level 6要求。

以上是EVLONE140W的典型電路應用圖。該板基于ST-ONEHP數字控制器，配套L6563S（PFC控制器）和MasterGaN1（600V半橋GaN芯片）打造而成的140W USB-PD3.1解決方案，此方案具有超過25w/inch3的功率密度。

基于ST-ONEHP和MasterGaN設計的5V-28V140W USB-PD3.1充電方案。支持90-264Vac的寬幅電壓輸入，5V-28V的寬幅電壓輸出。符合USB-PD 3.1 EPR認證，EPR輸出最大功率為140W（28V/5A），轉化效率最高大于94%，具有過流、過壓、欠壓、過溫等完整的保護功能，ST-ONEHP的集成度很高，PD芯片、SR芯片、ACF芯片一顆搞定。

意法半導體L6563S是一顆增強型過渡模式PFC控制器，通過將整流濾波后的直流電升壓，進行功率因數校正，擁有超低的啟動電流≤100uA和完善的保護功能，采用14-SOIC封裝工藝，配備了與前代L6563相同的引腳，提供了改進的性能和額外的功能，效率及可靠性都非常高，最高可適配400W的產品應用。目前已應用在蘋果96W USB PD快充充電器A2166。

以上是L6563S輸入電壓跟隨功能示例圖，可以看到母線電壓跟隨輸入變化而變化，可以優化全輸入范圍效率，Vo1和Vox可根據設計需要調整，滿足廠商的調試需求。

一體化數字ACF控制器ST-ONEHP的典型應用結構圖，從左到右，依次包含了X-cap放電，ACF控制、SR控制、Oring控制以及PD3.1協議控制。

ST-ONEHP是具有同步整流的新型非互補ACF控制的ST-ONE系列數字控制器，內置USB-PD 3.1 EPR協議，全球首款嵌入式控制器ARM Cortex M0+核心，離線可編程控制器與同步整流，與USB PD PHY一體封裝，具有強化電流隔離的集成單片。極短的開發周期和極簡的BOM，配合GaN使用，可以快速高效的幫助廠商開發出穩定、高效的高功率密度快充產品。適用于USB-PD筆記本電腦適配器、高功率密度充電器、AC-DC適配器和大功率充電器（USB EPR）。

以上是常見ACF控制方法比較，常見的互補式通過ZVS開通，優點是控制邏輯簡單，缺點是效率偏低。第二種是傳統的非互補式，鉗位管在二次側電流為零時，開通一次，優點是鉗位管有較低的RMS電流。第三種是ST采用的新型非互補式，鉗位在開通2次后，主開關管關斷后，次級電流為零，優點是ZVS鉗位范圍廣，RMS電流較低，有效降低鉗位管的反向導通損耗，更適用于GaN管使用。

以上是ACF工作時的典型突發模式的工作波形圖，在輕載或者空載的突發模式下，能夠有效降低開關頻率和減少開關損耗，從而提高效率，在負載逐漸降低時，會進入該模式。

以上是ACF典型工作模式波形圖，實現了原邊的ZVS和副邊的ZVS，有效提高效率和降低EMI。

MASTERGAN1應用于ACF的原理圖，集成柵極驅動器和兩個增強型GaN晶體管應用于半橋配置中的先進電源解決方案。主要由集成增強型GaN晶體管、集成冊極驅動電路、集成自舉二極管等部件組成，擁有內部互鎖功能防止共通，OTP功能等完善的保護功能，上管和下管均有UVLO保護功能，防止電源工作在低效率或者危險條件下。采用集成式智能封裝QFN 9x9 mm2，輸入引腳擴展范圍3.3V到15V，同時具備滯回和下拉功能，可輕松與MCU、DSP以及霍爾傳感器等接口直接連接。內部集成非常多的功能和采用小封裝，可以有效優化PCB的電路設計和體積。

分立GaN和集成GaN解決方案的對比。分立GaN解決方案的柵極驅動環路寄生電感會導致柵極振鈴并增加誤導通的可能性，功率回路寄生電感導致更高的電壓尖峰，為了減少上述影響，需要一個柵極電阻并需要一個優化布局的多層PCB來降低干擾。

集成GaN解決方案只有極小的柵極驅動回路寄生電感，大幅度降低了Vgs振鈴，降低了柵極應力和驅動器的輸出阻尼電阻，從而提高了可靠性，獲得更快的開關速度，更低的開關損耗，功率回路中較小的寄生電容大幅度降低Vds峰值，有效降低開關損耗和EMI，以及更低的Vds電壓應力。

以上是MASTERGAN門極驅動邏輯-真值表。

MASTERGAN*系列共推出了5個產品，最高可支持400W產品應用，分別是推薦使用于ACF的MasterGaN3（45W）、MasterGaN2（65W），與推薦使用于ACF和LLC的MasterGaN5（100W）、MasterGaN4（200W）、MasterGaN1（400W）。它是全球首款集成驅動和兩顆650V增強型GaN HEMT晶體管結合方案，擁有緊湊、堅固且易于設計的特性，適合廣大廠商的調試與應用。

以上是MASTERGAN的封裝原理圖和引腳對應的功能。采用QFN 9x9 mm2封裝工藝，對于PCB的布局非常友好，同時擁有非常好的散熱。

以上是意法半導體140W USB-PD3.1解決方案Demo的測試圖，使用USB PD3.1觸發器進行測試。

使用STEVAL-PCCO20V2.1測試設置。ST-ONEHP可以通過調試來修改外圍參數，可以極大縮短產品的開發周期和易于廠商進行調試，滿足廠商對于開發不同產品的需求。

以上是意法半導體140W USB-PD3.1解決方案的溫升測試，經測試Dmeo板的主要元器件的溫升都在合理范圍之內。

以上是意法半導體140W USB-PD3.1解決方案的EMI測試，測試是在230Vac的條件下進行的，EMI的表現符合預期的范圍內。

以上是意法半導體140W USB-PD3.1解決方案的效率測試。經測試，該方案在90Vac條件下，電源的平均轉換率均超過了91%，在28V輸出情況下，滿載轉換效率為93.17%。

以上是意法半導體140W USB-PD3.1解決方案的效率測試，測試條件為115Vac，滿載情況下，該方案輸出電壓的轉換效率均超過91%，其中28V輸出情況下，平均轉換效率為92.68%，最大值接近94%。

以上是意法半導體140W USB-PD3.1解決方案的效率測試，測試條件為230Vac，滿載情況下，該方案的轉換效率均超過91%，其中15V輸出情況下，平均轉換效率達到94.3%，最大值為95.21%，在28V輸出情況下，平均轉換效率達到92.63%，最大值為94.4%。得益于高效的數字控制，115Vac和230Vac測試條件下，都擁有非常高的轉換效率。

充電頭網總結

現在快充產業的碳達峰、碳中和新型環保理念獲得廣泛認可，特別是電源能效方面，以人們常用的智能手機的充電器為例，全球保有量數十億只，如果智能手機的充電器都遵守GB20943新版電源能效的強制標準，那么有助于提升電源產品能效，減少碳排放量，構建綠色能源消費新模式。

構建新型電力系統，清潔低碳是目標，安全充裕是前提，經濟高效是關鍵。意法推出基于ST-ONEHP設計的140W USB-PD3.1充電方案，不僅擁有非常高的轉換效率，還擁有很高的能效標準，且產品自帶完善的保護功能，以及非常低成本的調試功能。極大縮短產品的開發周期和易于廠商進行調試，滿足廠商對于開發不同產品的需求。該方案適用于USB-PD筆記本電腦適配器、高功率密度充電器、AC-DC適配器、大功率充電器等。

審核編輯：湯梓紅