意法半导体的140W USB-PD3.1充电方案助力提升电源产品能效

前言 构建新型电力系统，清洁低碳是目标。为此各行各业都在为发展绿色电源而努力，目前我国新的电源能效强制标准GB20943计划2024年完成报批，协商的适用范围：电源适配器、笔记本适配器、POE电源、PD快充、USB充电器、USB插头、电动自行车充电器、电池充电器、台式机PC电脑电源、工作站服务器电源、数据中心电源、工业电源、开架电源、导轨电源，有望覆盖2000W功率各种形态开关电源产品，实现电源产业的低碳节能绿色发展。  

2023年9月28日，代表智能工业发展风向标的意法半导体第五届工业峰会在深圳福田香格里拉大酒店隆重揭幕，并且举行了线上直播，可以直击智能热点，共享前沿资讯。本次峰会以聚焦永创新、助推可持续变革为主题。

如今，世界正面临着非同寻常的挑战，保护地球不是选择而是势在必行。半导体生态系统承载了引领和推动快速创新的重要使命。作为可持续发展的重要推动者，意法半导体坚定承诺，肩负责任，积极参与可持续展创新。通过意法半导体优化智能（数字化）、能源及电力转换来促进生产可再生能源、实现更高能效。同时，我们以前沿的产品及方案为碳减排开道，加速碳中和目标的实现，打造一个可持续发展的未来。通过本次峰会，意法半导体将与您共同探索前沿电力转换和能源解决方案，实现电力应用的更高能效，促进可再生能源发展。

本次峰会上，意法半导体研发（深圳）有限公司 应用工程师 徐家龙，为大家带来了《基于ST-ONEHP设计的140W USB-PD3.1充电方案》的精彩演讲。EVLONE140W是第一个根据USB-PD 3.1 EPR标准参考设计认证。它支持宽的输入电压范围，并支持SPR 4个档位输出，一个EPR 28V 140W输出。

以上是140W USB-PD3.1设计的Demo图和相关参数信息，支持USB-PD3.1的5V、9V、15V、20V、28V的输出电压和最大5A的电流输出。EVLONE140W使用一体式数字控制方案和MasterGAN实现了更高的效率和更高的功率密度。EVLONE140W的体积仅为85x55x23.5mm，高的开关频率实现了>25W/inch高功率密度，在90Vac、115Vac、230Vac满载测试下，均实现了超过93%的电源转化效率，其中在230Vac满载测试中，转化效率达到94.4%，满足CoC Tier 2和DOE Level 6要求。

以上是EVLONE140W的典型电路应用图。该板基于ST-ONEHP数字控制器，配套L6563S（PFC控制器）和MasterGaN1（600V半桥GaN芯片）打造而成的140W USB-PD3.1解决方案，此方案具有超过25w/inch3的功率密度。

基于ST-ONEHP和MasterGaN设计的5V-28V140W USB-PD3.1充电方案。支持90-264Vac的宽幅电压输入，5V-28V的宽幅电压输出。符合USB-PD 3.1 EPR认证，EPR输出最大功率为140W（28V/5A），转化效率最高大于94%，具有过流、过压、欠压、过温等完整的保护功能，ST-ONEHP的集成度很高，PD芯片、SR芯片、ACF芯片一颗搞定。

意法半导体L6563S是一颗增强型过渡模式PFC控制器，通过将整流滤波后的直流电升压，进行功率因数校正，拥有超低的启动电流≤100uA和完善的保护功能，采用14-SOIC封装工艺，配备了与前代L6563相同的引脚，提供了改进的性能和额外的功能，效率及可靠性都非常高，最高可适配400W的产品应用。目前已应用在苹果96W USB PD快充充电器A2166。

以上是L6563S输入电压跟随功能示例图，可以看到母线电压跟随输入变化而变化，可以优化全输入范围效率，Vo1和Vox可根据设计需要调整，满足厂商的调试需求。

一体化数字ACF控制器ST-ONEHP的典型应用结构图，从左到右，依次包含了X-cap放电，ACF控制、SR控制、Oring控制以及PD3.1协议控制。

ST-ONEHP是具有同步整流的新型非互补ACF控制的ST-ONE系列数字控制器，内置USB-PD 3.1 EPR协议，全球首款嵌入式控制器ARM Cortex M0+核心，离线可编程控制器与同步整流，与USB PD PHY一体封装，具有强化电流隔离的集成单片。极短的开发周期和极简的BOM，配合GaN使用，可以快速高效的帮助厂商开发出稳定、高效的高功率密度快充产品。适用于USB-PD笔记本电脑适配器、高功率密度充电器、AC-DC适配器和大功率充电器（USB EPR）。

以上是常见ACF控制方法比较，常见的互补式通过ZVS开通，优点是控制逻辑简单，缺点是效率偏低。第二种是传统的非互补式，钳位管在二次侧电流为零时，开通一次，优点是钳位管有较低的RMS电流。第三种是ST采用的新型非互补式，钳位在开通2次后，主开关管关断后，次级电流为零，优点是ZVS钳位范围广，RMS电流较低，有效降低钳位管的反向导通损耗，更适用于GaN管使用。

以上是ACF工作时的典型突发模式的工作波形图，在轻载或者空载的突发模式下，能够有效降低开关频率和减少开关损耗，从而提高效率，在负载逐渐降低时，会进入该模式。

以上是ACF典型工作模式波形图，实现了原边的ZVS和副边的ZVS，有效提高效率和降低EMI。

MASTERGAN1应用于ACF的原理图，集成栅极驱动器和两个增强型GaN晶体管应用于半桥配置中的先进电源解决方案。主要由集成增强型GaN晶体管、集成册极驱动电路、集成自举二极管等部件组成，拥有内部互锁功能防止共通，OTP功能等完善的保护功能，上管和下管均有UVLO保护功能，防止电源工作在低效率或者危险条件下。采用集成式智能封装QFN 9x9 mm²，输入引脚扩展范围3.3V到15V，同时具备滞回和下拉功能，可轻松与MCU、DSP以及霍尔传感器等接口直接连接。内部集成非常多的功能和采用小封装，可以有效优化PCB的电路设计和体积。

分立GaN和集成GaN解决方案的对比。分立GaN解决方案的栅极驱动环路寄生电感会导致栅极振铃并增加误导通的可能性，功率回路寄生电感导致更高的电压尖峰，为了减少上述影响，需要一个栅极电阻并需要一个优化布局的多层PCB来降低干扰。

集成GaN解决方案只有极小的栅极驱动回路寄生电感，大幅度降低了Vgs振铃，降低了栅极应力和驱动器的输出阻尼电阻，从而提高了可靠性，获得更快的开关速度，更低的开关损耗，功率回路中较小的寄生电容大幅度降低Vds峰值，有效降低开关损耗和EMI，以及更低的Vds电压应力。

以上是MASTERGAN门极驱动逻辑-真值表。

MASTERGAN*系列共推出了5个产品，最高可支持400W产品应用，分别是推荐使用于ACF的MasterGaN3（45W）、MasterGaN2（65W），与推荐使用于ACF和LLC的MasterGaN5（100W）、MasterGaN4（200W）、MasterGaN1（400W）。它是全球首款集成驱动和两颗650V增强型GaN HEMT晶体管结合方案，拥有紧凑、坚固且易于设计的特性，适合广大厂商的调试与应用。

以上是MASTERGAN的封装原理图和引脚对应的功能。采用QFN 9x9 mm²封装工艺，对于PCB的布局非常友好，同时拥有非常好的散热。

以上是意法半导体140W USB-PD3.1解决方案Demo的测试图，使用USB PD3.1触发器进行测试。

使用STEVAL-PCCO20V2.1测试设置。ST-ONEHP可以通过调试来修改外围参数，可以极大缩短产品的开发周期和易于厂商进行调试，满足厂商对于开发不同产品的需求。

以上是意法半导体140W USB-PD3.1解决方案的温升测试，经测试Dmeo板的主要元器件的温升都在合理范围之内。

以上是意法半导体140W USB-PD3.1解决方案的EMI测试，测试是在230Vac的条件下进行的，EMI的表现符合预期的范围内。

以上是意法半导体140W USB-PD3.1解决方案的效率测试。经测试，该方案在90Vac条件下，电源的平均转换率均超过了91%，在28V输出情况下，满载转换效率为93.17%。

以上是意法半导体140W USB-PD3.1解决方案的效率测试，测试条件为115Vac，满载情况下，该方案输出电压的转换效率均超过91%，其中28V输出情况下，平均转换效率为92.68%，最大值接近94%。

以上是意法半导体140W USB-PD3.1解决方案的效率测试，测试条件为230Vac，满载情况下，该方案的转换效率均超过91%，其中15V输出情况下，平均转换效率达到94.3%，最大值为95.21%，在28V输出情况下，平均转换效率达到92.63%，最大值为94.4%。得益于高效的数字控制，115Vac和230Vac测试条件下，都拥有非常高的转换效率。

充电头网总结    

现在快充产业的碳达峰、碳中和新型环保理念获得广泛认可，特别是电源能效方面，以人们常用的智能手机的充电器为例，全球保有量数十亿只，如果智能手机的充电器都遵守GB20943新版电源能效的强制标准，那么有助于提升电源产品能效，减少碳排放量，构建绿色能源消费新模式。

构建新型电力系统，清洁低碳是目标，安全充裕是前提，经济高效是关键。意法推出基于ST-ONEHP设计的140W USB-PD3.1充电方案，不仅拥有非常高的转换效率，还拥有很高的能效标准，且产品自带完善的保护功能，以及非常低成本的调试功能。极大缩短产品的开发周期和易于厂商进行调试，满足厂商对于开发不同产品的需求。该方案适用于USB-PD笔记本电脑适配器、高功率密度充电器、AC-DC适配器、大功率充电器等。

  




审核编辑：刘清