‌VIPERGAN100离线高压转换器技术解析与应用指南

STMicroelectronics VIPerGaN100离线高压转换器设计用于中等功率准谐振ZVS（开关接通时零电压开关）反激式转换器。它可提供宽范围的输出功率，可高达75W，在欧盟可高达100W，还可以在前端加PFC。该器件集成一整套功能让芯片极其灵活且易于使用，能帮助设计出高效的离线电源。ZVS准谐振运行具有动态消隐时间特性和谷值同步功能，始终在漏极谐振谷底开启电源开关。在任何输入线路和负载条件下，它都可以最大化整体效率并降低开关损耗。具有低静态电流的高级电源管理可实现低待机功耗。前馈补偿尽量减少了最大输出峰值功率随输入电压范围的变化。

数据手册：*附件：STMicroelectronics VIPerGaN100离线高压转换器数据手册.pdf

STMicroelectronics VIPerGaN100还具有保护特性，可显著提高最终产品的安全性和可靠性。其中包括输出过压保护、过热保护 (OTP)、过载保护 (OLP)、上电/掉电保护。这些将输入电压电平设置为转换器上电和断电。输入过压保护 (iOVP) 可在输入线路异常增加的情况下保护系统。所有保护功能都在自启动模式下。

特性

• 准谐振 (QR) 反激式控制器
• 650V E-mode功率GaN晶体管
• 嵌入式感应FET
• 动态消隐时间和可调节谷值同步延迟功能，可最大限度地提高任何输入线路和负载条件下的效率
• 先进的电源管理，具有自适应突发模式，待机功耗低于30mW
• 谷值锁定，确保恒定谷值跳跃
• 输出OVP保护
• 输入电压前馈补偿，用于独立于主电源的OPP稳压
• 上电和掉电保护
• 输入OVP保护
• 嵌入式热关断
• 频率抖动器，可抑制EMI辐射

典型应用

VIPERGAN100离线高压转换器技术解析与应用指南‌

‌一、核心架构与技术创新‌

VIPERGAN100是STMicroelectronics推出的集成了650V E-mode GaN HEMT的准谐振反激式控制器，通过多项专利技术实现高频高效转换：

‌1. 零电压开关技术‌

• 采用ZVS准谐振拓扑，在开关管导通时实现零电压切换
• 动态消隐时间与谷底同步功能结合，确保开关始终在漏极谐振谷底导通
• 谷底锁定技术避免负载波动时的"谷底跳跃"现象

‌2. 多模式智能调控‌

• ‌QR模式‌（重载）：工作于DCM/CCM边界，频率随负载自适应
• ‌谷底跳过模式‌（中载）：通过跳过1/2/3个谐振周期限制最高频率
• ‌频率折返模式‌（轻载）：在VFB电压下降时线性降低频率
• ‌突发模式‌（极轻载）：开关频率可降至数百赫兹，待机功耗<30mW

‌二、关键引脚配置与功能实现‌

‌ 核心控制引脚组： ‌

• ‌TB引脚‌：动态消隐时间调整与谷底同步
  • 动态消隐时间公式：TBLANK_dyn = TBLANK + KBLANK × ITB
  • 同步延迟设置：RDELAY = RTB / (NAUX/NSEC × VOUT/VTB - 1)
• ‌ZCD引脚‌：变压器退磁检测
  • 正沿>110mV触发准备状态
  • 负沿<60mV触发GaN导通

‌ 保护功能引脚： ‌

• ‌BR引脚‌：输入电压跌落保护
  • 接入阻抗：10-30MΩ优化功耗
  • 启停阈值：VBR-IN=0.5V，VBR-OUT=0.4V
• ‌iOVP引脚‌：输入过压保护
  • 保护延迟：TiOVP=250μs

‌三、电气特性与功率设计‌

‌ GaN功率器件性能： ‌

• 漏源击穿电压：650V（瞬态850V/1μs）
• 导通电阻：RDS(ON)=100mΩ@25℃
• 输出功率能力：
  • 宽范围输入（85-265VAC）：75W
  • 欧洲范围输入（185-265VAC）：100W
• 工作频率范围：最高240kHz限制

‌ 热管理设计参数： ‌

• 结到环境热阻：RTH-JA=32℃/W
• 热关断阈值：TSD=140℃
• 重启时间：TSD-REST=2s

‌四、先进保护机制详解‌

‌1. 智能过载保护系统‌

• OLP计数器机制：故障持续超过TOVL=50ms触发保护
• 内部软启动时间：TSS=8ms

‌2. 多重保护协调工作‌

• 输入OVP、输出OVP、过温保护三合一
• 自动重启模式避免锁定状态
• 数字滤波技术增强抗噪能力

‌五、PCB布局关键要点‌

‌ 高频噪声抑制策略： ‌

• VDD与GND间需就近布置100nF陶瓷电容
• DRV引脚需连接1μF低ESR/ESL电容

‌ 功率环路最小化设计： ‌

• 输入电容-变压器-开关管环路面积优化
• 辅助绕组采样路径与主功率路径隔离

‌六、典型应用电路配置‌

‌ 全功能配置方案： ‌

• TB引脚同时实现动态消隐和谷底同步
• 配置参数需满足：RDELAY > 750Ω确保功能检测

‌ 简化配置方案： ‌

• TB引脚接地可禁用动态功能
• 设计灵活度支持多种组合：
  • 仅动态消隐
  • 仅谷底同步
  • 全功能禁用

‌ EMI优化技术： ‌

• 频率抖动调制：10kHz@50%占空比
• 峰值电流调制深度：5%

‌七、设计验证与测试建议‌

‌ 关键参数验证清单： ‌

• 启动电压：VSTART=34.5-41V（RHV=10-20MΩ）
• 谷底同步精度：TD-ON范围197ns-1.1μs
• OVP响应时间：需连续4个振荡周期确认

‌ 性能优化路径： ‌

• 通过ROPP电阻优化线电压前馈补偿
• 利用KBLANK增益精细调整动态消隐时间

‌八、应用场景与选择指导‌

‌ 适配功率范围： ‌

• 高效电源适配器（45-75W）
• 快速电池充电器
• 工业/家电辅助电源