电源/新能源
手机厂家在充电器上的内卷程度丝毫不亚于互联网行业。随着电池充电技术的快速发展,USB-PD适配器的功率等级也在迅速增加,从最初的5V/1A到现在很多手机标配的120W快充。USB协会也在2021年6月发布了USB PD 3.1标准,直接把USB-C口的充电功率提升到了48V/5A—240W,给充电器内卷又加了一把火。
充电器的功率越来越大让一个问题凸显出来:充电器的尺寸是否也会无限制增长?从便携性的角度出发,这显然是不可能的,于是就引出了另一个重要概念——功率密度。如何在现有的条件下提高产品的功率密度?
ST专家为你详解ST-ONE+ MasterGaN解决方案如何打造高功率密度USB-PD充电器。
01 USB PD适配器中使用的主要拓扑
根据市场上的主流产品,USB PD充电器可分成三个功率段:45W以下,45W到100W,100W以上。45W以下,QR反激拓扑是绝对的霸主。当功率上升到65W,有源钳位反激拓扑出现在了一些产品中;功率等级上升到100W以上,PFC+LLC/ACF/AHB都可以覆盖相关应用,根据具体的应用,充电口的数量来选择不同的拓扑。而不同的拓扑所能实现的功率密度也大不相同。QR反激拓扑的功率一般会在1W/cm3以内,而ACF可以轻松达到1.5W/cm3。
▲不同功率段适配器中主要使用的拓扑
为什么传统反激和有源钳位反激在功率密度上会有如此显著的差距?主要是由二者不同的工作原理决定的。
传统反激的工作原理是:主开关管开通时,能量被存储在变压器中,并在主开关管关断后传递到副边,而变压器漏感产生的能量则被存储在C2中,最后通过R2消耗掉,产生了损耗。
而有源钳位反激在传统反激的基础上衍生出来的拓扑,最大的区别就在于通过对钳位管的控制,使之前存储在C2里的漏感能量被循环利用,并且实现了主开关管的ZVS,从而降低了开关损耗。所以相较于传统反激,有源钳位反激可以实现更高的工作频率,更高的效率,更好的EMI特性,以及更高的功率密度。但相比传统反激,它也有一些不足之处,例如钳位开关管控制需要高压隔离驱动,控制方式更为复杂。而传统反激由于没用到钳位开关管,所以成本更低,控制方式更简单。但是在需要更高功率密度的场合,ACF显然是更好的选择。
02 ST-ONE:适用于USB-PD充电器的全集成数字控制器
ST最新ACF控制器——ST-ONE是适用于USB-PD充电器的全集成数字控制器。ONE代表这是一颗ALL IN ONE的全集成芯片,包含了原边高压启动及X电容放电电路,有源钳位反激控制,副边同步整流控制以及大于6.4KV的专利的原副边隔离技术,同时还集成了USB-PD协议控制器,最大限度减少BOM物料数量。ST-ONE可支持单口或多口输出应用,可实现大于30W/inch3的功率密度,峰值效率超过95%,开关频率最高支持1MHz,并且已经通过USB-PD 3.1 PPS认证,是设计轻量化,小型化,大功率适配器的理想选择。
▲ST-ONE的典型应用电路,我们可以看到,外围电路非常的简洁,可以帮助研发人员大大的降低设计难度,缩短从设计到量产的时间,快速的推动产品上市。
ACF拓扑根据控制方式的不同,又分为互补式和非互补式。互补式,也就是钳位开关和主开关互补导通,实现了ZVS;而经典的非互补式,钳位开关管只在副边电流过零的时候开启一次,在实现ZVS的同时减少了钳位开关的RMS电流。而ST的ACF控制器采用了非互补式控制方式,但在经典的非互补式控制的基础上,钳位管分别在主开关管关断后和副边过零时开启两次,这样做的好处除了上面提到的两点,还可以降低钳位开关的反向导通损耗,特别适合氮化镓的应用场合。同时副边同步整流管的应力也非常小,所以可以选择耐压更低的同步整流管,在降低成本的同时也有助于EMI。
▲互补式控制,经典非互补式控制以及ST的非互补式控制各自的工作方式和特点
ST-ONE内部有一颗32位Cortex M0+内核以及64K Flash,数字控制可以根据不同负载使转换器工作在不同的模式。例如工作在连续模式,连续模式下的原边电流有效值明显减小,在5V输出条件下测得1.5%的效率提升,同时还可以减小变压器的尺寸,提高功率密度。
好用的图形用户界面是ST-ONE另一大优势。ST-ONE GUI是一种帮助开发人员设置和监控ST-ONE行为的工具,从客户设计产品之初一直到生产阶段都可以使用。基本功能包括:闪存内容的读写,处理自动化工业烧录。特有的功能包括读取即时信息,实时了解电源工作状况,帮助更好的设计环路。
03 氮化镓在电源中的应用优势
这些年,以碳化硅,氮化镓为首的第三代半导体成为热门话题,新的应用层出不穷,大有取代传统硅基晶体管之势。目前市场上的氮化镓器件普遍有两种方案,一种是分立方案,类似传统的硅MOS;另一种就是MasterGaN所采用的集成驱动方案。
目前市场上主流E-MODE氮化镓晶体管的栅极开通门槛电压Vgsth比较低,通常为1.2V左右,在关断时很容易因为高dV/dt和驱动回路里的杂散电感造成栅极振铃并导致管子误开通,在半桥结构拓扑里,会造成严重失效故障。而集成驱动方案由于其极低的杂散电感,可以很好解决这个问题。同时,电源回路里的杂散电感降低,还可以降低Vds电压峰值,减小开关损耗,改善EMI性能。
总而言之,氮化镓与驱动集成的方案优势包括:
1. 优化栅极驱动布局,效率很高;
2. 寄生效应小,可增加开关频率,提高功率密度;
3. 采用紧凑的单芯片解决方案,简化了设计。
04 ST MasterGaN引领氮化镓充电技术新浪潮
针对ACF/半桥等应用,ST引领氮化镓充电技术新浪潮,推出了全球第一款半桥架构,并且集成驱动的氮化镓芯片——MasterGaN,推动电源性能全面超越传统硅基晶体管方案。
MasterGaN平台首发的五款产品现已全部实现大规模量产,分别是上下管非对称半桥结构的MasterGaN 2和3,非常适合用于有源钳位反激拓扑。上下管为对称半桥结构的MasterGaN1/4/5,Rdson从150 mΩ至450 mΩ不等,最大可支持400W应用,通常用于LLC和ACF拓扑。全部五款产品都是pin to pin兼容,可以轻松替换。
05 基于ST-ONE和MasterGaN2的65W USB-PD快充解决方案
ST-ONE+MasterGaN方案使用了平面变压器的65W PD电源demo板,关键器件包括主控制器ST-ONE,原边开关管MasterGaN2和副边100V的同步整流管STL90N10F7。该电源支持90-264V的全电压输入,5-20V输出,最大输出功率65W,满足欧盟和美国最新的能效要求。借助ST-ONE和MasterGaN2两颗高集成度的芯片,实现了大于30W/inch3的功率密度,空间布局非常宽松。
▲Demo板主电路部分,PCB布局简洁,电源内部空间开阔,功率密度还可进一步提升。
MasterGaN2是一颗耐压650V,下管导通阻抗150mΩ,上管导通阻抗225mΩ的氮化镓芯片,内部集成了丰富的保护,包括上下管的互锁功能,这在半桥架构中非常有用,可以有效避免上下管直通造成的失效。同时,3.3-15V的PWM输入扩展范围,可轻松支持数字控制方案。ST-ONE同样也支持多工作模式,根据不同的输入和负载条件,ACF拓扑会工作在不同模式。从满载到轻载分别工作在正常模式,跳谷底模式,以及间歇工作模式,有助于提高轻载效率。
ST-ONE+ MasterGaN是适用于高功率密度USB-PD充电器的理想解决方案,可以将充电器的尺寸减少4倍,相当于减少200万吨的物料浪费,同时效率高达94%,节省的能源相当于三座核电站的年发电量!
▲更多采用MasterGaN的电源解决方案供参考,具体产品资料和评估板可在意法半导体官网获取。
审核编辑:汤梓红
全部0条评论
快来发表一下你的评论吧 !