‌STMicroelectronics 100W USB PD参考设计技术解析

科技观察员 2025-10-24 419

描述

STMicroelectronics EVLVIPGAN100PD 100W USB供电 (PD) 参考设计基于VIPERGAN100高压转换器。该参考设计具有>92.6%峰值效率、100W最大输出功率以及>24W/in^3^功率密度。EVLVIPGAN100PD USB Type C™ 3.0 PD适配器参考设计具有90VAC至264VAC通用交流输入电压范围和47Hz至63Hz频率范围。该参考设计实现了强大的适配器，提供输出过功率、输出欠压、输出过压和输出短路保护。EVLVIPGAN100PD参考设计可帮助设计人员以简短的物料清单开发适配器，从而快速获得高性价比设计。该参考用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑和手持设备的交流-直流智能充电器。

数据手册：*附件：STMicroelectronics EVLVIPGAN100PD 100W USB PD参考设计数据手册.pdf

特性

通用交流输入电压范围：90VAC 至264V AC ，频率范围：47Hz至63Hz
最大输出功率：100W
单路Type-C 5V DC ÷20VDC输出电压
固定PDO：5V@3A、9V@3A、12V@3A、15V@3A和20V@5A
峰值效率：>92.6%
功率密度：>24W/in ^3 ^ （无盒）
支持USB供电协议

示意图

USB供电

STMicroelectronics 100W USB PD参考设计技术解析

一、设计概览与核心特性

‌EVLVIPGAN100PD‌ 是意法半导体推出的100W USB Type-C® 功率传输（PD 3.0）适配器参考设计，具有以下核心特性：

‌输入电压范围‌：90–264 VAC（47–63 Hz），兼容全球电网
‌输出配置‌：单Type-C接口，支持5V–20V宽电压输出
‌固定PDO配置‌：
- 5V@3A（15W）
- 9V@3A（27W）
- 12V@3A（36W）
- 15V@3A（45W）
- 20V@5A（100W）
‌能效表现‌：峰值效率>92.6%，功率密度>24 W/in³（未封装状态）
‌协议支持‌：完整硬件USB PD协议栈，符合USB PD标准

二、关键芯片架构与功能分工

‌芯片型号‌	‌功能角色‌
‌VIPERGAN100‌	高压GaN准谐振反激控制器，集成650V高压启动单元，支持光耦反馈电压调节
‌STUSB4761‌	Type-C/USB PD控制器，提供可编程VBUS电压/电流保护、高侧电流检测、CC/CV调节
‌SRK1001‌	次级同步整流控制器，专为反激拓扑优化，支持最高300kHz工作频率
‌L6564‌	过渡模式PFC控制器，降低输入电流谐波失真（THD）

三、电路结构深度解析

‌1. 前级PFC电路‌

基于L6564的过渡模式PFC，通过 choke 电感（L2）和快速二极管（D6）提升功率因数
关键元件：
- 输入滤波网络（CM1/CM2 + C1/C2）
- 整流桥BR1（GBU10K-BP）
- 母线电容C16（47μF）支撑PFC输出

‌2. 主功率变换阶段‌

‌拓扑结构‌：准谐振反激（QR Flyback）
‌核心器件‌：
- VIPERGAN100驱动GaN功率管，结合变压器T1实现隔离转换
- 同步整流控制器SRK1001驱动MOSFET（Q3/Q4），替代传统肖特基二极管以降低损耗
反馈机制：光耦SFH6106-4T隔离传输FB信号至初级侧

‌3. Type-C PD控制回路‌

STUSB4761独立管理PD协议协商，集成以下功能：
- CC1/CC2引脚检测连接状态
- VCONN电源管理（支持电子标签线缆）
- 硬件实现过压/欠压/过功率/短路保护

四、性能优势与设计价值

‌高效率与热管理‌
- GaN技术降低开关损耗，同步整流减少次级损耗
- 实测效率曲线显示（图5/图6）：230VAC输入时全负载区间效率>90%
‌高集成度与BOM优化‌
- VIPERGAN100融合PWM控制器与高压启动单元
- STUSB4761硬件PD栈免去外部MCU需求，加速认证流程
‌全面保护机制‌
- 多级保护：输入保险丝（FS1）、压敏电阻（RV1）、输出OVP/UVP/SCP

五、应用场景与设计指导

‌目标市场‌：

智能手机/平板/笔记本快速充电器
工业便携设备电源模块

‌设计建议‌：

布局时需隔离高压初级（VIPERGAN100）与低压数字部分（STUSB4761）
同步整流时序需通过SRK1001的TON/TOFF引脚精细调节
散热设计需重点考虑20V@5A满载工况下的温升

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