ST VIPERGAN50/65/100系列高压氮化镓转换器，支持最高100W输出功率

意法半导体中国 2023-07-12 595

描述

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VIPERGAN50、VIPERGAN65和VIPERGAN100是意法半导体VIPerGaN系列中首款高压GAN转换器，可在宽范围工作电压（9V至23V）中分别提供50W、65W和高达100W的功率。我们还推出了EVLVIPGAN100PD，这是我们首款用于USB-PD应用的VIPERGAN100评估板。VIPerGaN器件使用650V氮化镓（GaN）晶体管，这意味着在自适应突发模式开启时，待机模式下的功耗低于30mW。QFN 5mmx6mm封装也使其在业内同等功率输出中拥有较小的封装尺寸。

虽然器件相似，但由于GaN晶体管的RDS(ON)较低（VIPERGAN50为450 mΩ；VIPERGAN65为260mΩ；VIPERGAN100为225mΩ），因此输出功率可能更高。VIPERGAN100在欧洲电压范围（185-265VAC）内可提供100W的输出功率。其他情况下，则将提供75W（85-265VAC）的功率。此外，所有器件均可实现引脚兼容，工程师无需大幅改变PCB布局或设计即可快速互换。因此，我们的团队希望通过更实用的产品组合来降低GaN的门槛。

为何选择QR ZVS反激式转换器？

应用不断对功率密度提出更高要求 意法半导体

▲越来越小的充电器

在2002年11月的AN1326（L6565准谐振控制器）应用笔记中，我们解释了工程师经常在电视和其他电器的开关模式电源(SMPS)中使用准谐振(QR)零电压开关(ZVS)，也称为开启时谷底开关。其拓扑结构至今依然适用，并已出现在更多产品中。其原因在于，功率包络的密集度每过十年就会显著增加。例如，现在像素更高的电视，其功耗要求也更为严格。同样，虽然50W充电器并非新产品，但消费者需要的是外观轻便，且能给笔记本电脑、平板电脑、手机和其他设备快速充电的产品。

QR ZVS反激式转换器不断需求更高效率

业界经常选用准谐振转换器，主要原因在于其较高的效率。传统PWM转换器中，在电压最高时开启器件，会导致功率损耗随开关频率的增加而上升。工程师可使用缓冲电路缓解此类情况，但提高效率的有效途径是软开关，即在电压或电流为零时进行开关。为此，通过谐振（电感-电容或LC）将方波信号转换为正弦波形。在ZVS中，启动发生在曲线底部或谷底。多年来，工程师试图提高QR ZVS反激式转换器效率，而GaN恰巧可以满足这一需求。

为何选择VIPERGAN50、VIPERGAN65或VIPERGAN100？

GaN晶体管

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▲VIPerGaN器件

VIPERGAN50、VIPERGAN65和VIPERGAN100使用与MASTERGAN系列相同的650V GaN晶体管，因此具有类似优势。例如，GaN高电子迁移率意味着器件可适用于高开关频率。因此，器件可承受更大负载，同时减少损耗。有鉴于此，GaN可用于制造可输出更高功率，同时整体尺寸更小的电源。从时间来看，VIPERGAN50率先问世。此后，意法半导体陆续发布了具有更大输出功率的型号来展示其对GaN的承诺。

多模式操作

新器件可通过多模式操作优化其性能。简言之，VIPERGAN50、VIPERGAN65或VIPERGAN100可根据负载调整其开关频率。在重负载期间，准谐振电路可将GaN的导通与变压器去磁（ZCD引脚）同步，显著减少损耗。同样，重负载载或中等负载会触发跳谷。概括而言，负载降低时，晶体管可跳过一个或多个谷底。在这种情况下，开关频率会降低以限制损耗。

同样，频率折返模式可在中等和轻负载期间降低频率，但确保其保持在某个阈值以上以防止噪声。最后，在轻载或空载时，突发模式可将开关频率限制在几百赫兹，同时保持恒定峰值电流以防止噪声。在最后一种模式中，VIPERGAN50、VIPERGAN65和VIPERGAN100的静态电流仅为900µa。因此，新器件可助力满足要求更高能效以节省全球资源的新环境法规。

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▲VIPERGAN50多模式操作

保护功能

传统上，工程师添加外部器件以提供安全功能并保护其电路。VIPERGAN50、VIPERGAN65和VIPERGAN100可极大提高效率，这意味着意法半导体有空间容纳更多的安全功能。因此，设计师在电路板上需要更少的组件，从而减少所用材料。举例而言，新器件是VIPer Plus系列中首款提供输入过压保护(iOVP)以防止突然电压尖峰的器件。同理，brown-in/brown-out功能通过设置启动运行和停止运行的最小输入电压监控电源电压，以保护系统免受不可靠电源的影响。这些功能的优先级高于更常见的过温和过载/短路保护。

如何入门？

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▲EVLVIPGAN100PD

建议入门者从评估板开始熟悉。我们即将推出EVLVIPGAN100PD，这是一款采用了Power Delivery 3.0的100W USB-C应用参考设计。该板具有五种电源传输模式：5V-3A、9V-3A、12V-3A、15V-3A、20V-5A，团队可由此打造一个带原理图的硬件平台，用于启动其自定义PCB和配置文件，这些PCB和配置接近其在应用中使用的配置文件。无论电源电压是115V还是230V，即使在50%的负载下，系统的峰值效率依然超过90%。

该板还使用基于L6564的功率因数校正系统来限制失真。

ST已经发布了两个带VIPERGAN50的PCB。 EVLVIPGAN50PD将帮助工程师开发45W USB Power Delivery应用。该板甚至附带功率配置文件，可作为参考设计。团队还可以使用EVLVIPGAN50FL，用于实现15V/50W反激式转换器。因此，与USB系统专用平台相比，该板支持通用性更强的应用，也使得工程师能够快速启动应用。最后是带VIPERGAN65的评估板EVLVIPGAN65PD，其同样面向USB Power Delivery电源。

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