意法半導體發(fā)布基于ST-ONEHP設計的140W USB-PD3.1充電方案

文章來源：充電頭網(wǎng)

前言 構建新型電力系統(tǒng)，清潔低碳是目標。為此各行各業(yè)都在為發(fā)展綠色電源而努力，目前我國新的電源能效強制標準GB20943計劃2024年完成報批，協(xié)商的適用范圍：電源適配器、筆記本適配器、POE電源、PD快充、USB充電器、USB插頭、電動自行車充電器、電池充電器、臺式機PC電腦電源、工作站服務器電源、數(shù)據(jù)中心電源、工業(yè)電源、開架電源、導軌電源，有望覆蓋2000W功率各種形態(tài)開關電源產(chǎn)品，實現(xiàn)電源產(chǎn)業(yè)的低碳節(jié)能綠色發(fā)展。

??2023年9月28日，代表智能工業(yè)發(fā)展風向標的意法半導體第五屆工業(yè)峰會在深圳福田香格里拉大酒店隆重揭幕，并且舉行了線上直播，可以直擊智能熱點，共享前沿資訊。本次峰會以聚焦永創(chuàng)新、助推可持續(xù)變革為主題。

如今，世界正面臨著非同尋常的挑戰(zhàn)，保護地球不是選擇而是勢在必行。半導體生態(tài)系統(tǒng)承載了引領和推動快速創(chuàng)新的重要使命。作為可持續(xù)發(fā)展的重要推動者，意法半導體堅定承諾，肩負責任，積極參與可持續(xù)展創(chuàng)新。通過意法半導體優(yōu)化智能（數(shù)字化）、能源及電力轉換來促進生產(chǎn)可再生能源、實現(xiàn)更高能效。同時，我們以前沿的產(chǎn)品及方案為碳減排開道，加速碳中和目標的實現(xiàn)，打造一個可持續(xù)發(fā)展的未來。通過本次峰會，意法半導體將與您共同探索前沿電力轉換和能源解決方案，實現(xiàn)電力應用的更高能效，促進可再生能源發(fā)展。

本次峰會上，意法半導體研發(fā)（深圳）有限公司 應用工程師 徐家龍，為大家?guī)砹?strong>《基于ST-ONEHP設計的140W USB-PD3.1充電方案》的精彩演講。EVLONE140W是第一個根據(jù)USB-PD 3.1 EPR標準參考設計認證。它支持寬的輸入電壓范圍，并支持SPR 4個檔位輸出，一個EPR 28V 140W輸出。

以上是140W USB-PD3.1設計的Demo圖和相關參數(shù)信息，支持USB-PD3.1的5V、9V、15V、20V、28V的輸出電壓和最大5A的電流輸出。EVLONE140W使用一體式數(shù)字控制方案和MasterGAN實現(xiàn)了更高的效率和更高的功率密度。EVLONE140W的體積僅為85x55x23.5mm，高的開關頻率實現(xiàn)了>25W/inch高功率密度，在90Vac、115Vac、230Vac滿載測試下，均實現(xiàn)了超過93%的電源轉化效率，其中在230Vac滿載測試中，轉化效率達到94.4%，滿足CoC Tier 2和DOE Level 6要求。

以上是EVLONE140W的典型電路應用圖。該板基于ST-ONEHP數(shù)字控制器，配套L6563S（PFC控制器）和MasterGaN1（600V半橋GaN芯片）打造而成的140W USB-PD3.1解決方案，此方案具有超過25w/inch3的功率密度。

基于ST-ONEHP和MasterGaN設計的5V-28V140W USB-PD3.1充電方案。支持90-264Vac的寬幅電壓輸入，5V-28V的寬幅電壓輸出。符合USB-PD 3.1 EPR認證，EPR輸出最大功率為140W（28V/5A），轉化效率最高大于94%，具有過流、過壓、欠壓、過溫等完整的保護功能，ST-ONEHP的集成度很高，PD芯片、SR芯片、ACF芯片一顆搞定。

意法半導體L6563S是一顆增強型過渡模式PFC控制器，通過將整流濾波后的直流電升壓，進行功率因數(shù)校正，擁有超低的啟動電流≤100uA和完善的保護功能，采用14-SOIC封裝工藝，配備了與前代L6563相同的引腳，提供了改進的性能和額外的功能，效率及可靠性都非常高，最高可適配400W的產(chǎn)品應用。目前已應用在蘋果96W USB PD快充充電器A2166。

以上是L6563S輸入電壓跟隨功能示例圖，可以看到母線電壓跟隨輸入變化而變化，可以優(yōu)化全輸入范圍效率，Vo1和Vox可根據(jù)設計需要調整，滿足廠商的調試需求。

一體化數(shù)字ACF控制器ST-ONEHP的典型應用結構圖，從左到右，依次包含了X-cap放電，ACF控制、SR控制、Oring控制以及PD3.1協(xié)議控制。

ST-ONEHP是具有同步整流的新型非互補ACF控制的ST-ONE系列數(shù)字控制器，內置USB-PD 3.1 EPR協(xié)議，全球首款嵌入式控制器ARM Cortex M0+核心，離線可編程控制器與同步整流，與USB PD PHY一體封裝，具有強化電流隔離的集成單片。極短的開發(fā)周期和極簡的BOM，配合GaN使用，可以快速高效的幫助廠商開發(fā)出穩(wěn)定、高效的高功率密度快充產(chǎn)品。適用于USB-PD筆記本電腦適配器、高功率密度充電器、AC-DC適配器和大功率充電器（USB EPR）。

以上是常見ACF控制方法比較，常見的互補式通過ZVS開通，優(yōu)點是控制邏輯簡單，缺點是效率偏低。第二種是傳統(tǒng)的非互補式，鉗位管在二次側電流為零時，開通一次，優(yōu)點是鉗位管有較低的RMS電流。第三種是ST采用的新型非互補式，鉗位在開通2次后，主開關管關斷后，次級電流為零，優(yōu)點是ZVS鉗位范圍廣，RMS電流較低，有效降低鉗位管的反向導通損耗，更適用于GaN管使用。

以上是ACF工作時的典型突發(fā)模式的工作波形圖，在輕載或者空載的突發(fā)模式下，能夠有效降低開關頻率和減少開關損耗，從而提高效率，在負載逐漸降低時，會進入該模式。

以上是ACF典型工作模式波形圖，實現(xiàn)了原邊的ZVS和副邊的ZVS，有效提高效率和降低EMI。

MASTERGAN1應用于ACF的原理圖，集成柵極驅動器和兩個增強型GaN晶體管應用于半橋配置中的先進電源解決方案。主要由集成增強型GaN晶體管、集成冊極驅動電路、集成自舉二極管等部件組成，擁有內部互鎖功能防止共通，OTP功能等完善的保護功能，上管和下管均有UVLO保護功能，防止電源工作在低效率或者危險條件下。采用集成式智能封裝QFN 9x9 mm2，輸入引腳擴展范圍3.3V到15V，同時具備滯回和下拉功能，可輕松與MCU、DSP以及霍爾傳感器等接口直接連接。內部集成非常多的功能和采用小封裝，可以有效優(yōu)化PCB的電路設計和體積。

分立GaN和集成GaN解決方案的對比。分立GaN解決方案的柵極驅動環(huán)路寄生電感會導致柵極振鈴并增加誤導通的可能性，功率回路寄生電感導致更高的電壓尖峰，為了減少上述影響，需要一個柵極電阻并需要一個優(yōu)化布局的多層PCB來降低干擾。

集成GaN解決方案只有極小的柵極驅動回路寄生電感，大幅度降低了Vgs振鈴，降低了柵極應力和驅動器的輸出阻尼電阻，從而提高了可靠性，獲得更快的開關速度，更低的開關損耗，功率回路中較小的寄生電容大幅度降低Vds峰值，有效降低開關損耗和EMI，以及更低的Vds電壓應力。

以上是MASTERGAN門極驅動邏輯-真值表。

MASTERGAN*系列共推出了5個產(chǎn)品，最高可支持400W產(chǎn)品應用，分別是推薦使用于ACF的MasterGaN3（45W）、MasterGaN2（65W），與推薦使用于ACF和LLC的MasterGaN5（100W）、MasterGaN4（200W）、MasterGaN1（400W）。它是全球首款集成驅動和兩顆650V增強型GaN HEMT晶體管結合方案，擁有緊湊、堅固且易于設計的特性，適合廣大廠商的調試與應用。

以上是MASTERGAN的封裝原理圖和引腳對應的功能。采用QFN 9x9 mm2封裝工藝，對于PCB的布局非常友好，同時擁有非常好的散熱。

以上是意法半導體140W USB-PD3.1解決方案Demo的測試圖，使用USB PD3.1觸發(fā)器進行測試。

使用STEVAL-PCCO20V2.1測試設置。ST-ONEHP可以通過調試來修改外圍參數(shù)，可以極大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和易于廠商進行調試，滿足廠商對于開發(fā)不同產(chǎn)品的需求。

以上是意法半導體140W USB-PD3.1解決方案的溫升測試，經(jīng)測試Dmeo板的主要元器件的溫升都在合理范圍之內。

以上是意法半導體140W USB-PD3.1解決方案的EMI測試，測試是在230Vac的條件下進行的，EMI的表現(xiàn)符合預期的范圍內。

以上是意法半導體140W USB-PD3.1解決方案的效率測試。經(jīng)測試，該方案在90Vac條件下，電源的平均轉換率均超過了91%，在28V輸出情況下，滿載轉換效率為93.17%。

以上是意法半導體140W USB-PD3.1解決方案的效率測試，測試條件為115Vac，滿載情況下，該方案輸出電壓的轉換效率均超過91%，其中28V輸出情況下，平均轉換效率為92.68%，最大值接近94%。

以上是意法半導體140W USB-PD3.1解決方案的效率測試，測試條件為230Vac，滿載情況下，該方案的轉換效率均超過91%，其中15V輸出情況下，平均轉換效率達到94.3%，最大值為95.21%，在28V輸出情況下，平均轉換效率達到92.63%，最大值為94.4%。得益于高效的數(shù)字控制，115Vac和230Vac測試條件下，都擁有非常高的轉換效率。

充電頭網(wǎng)總結

現(xiàn)在快充產(chǎn)業(yè)的碳達峰、碳中和新型環(huán)保理念獲得廣泛認可，特別是電源能效方面，以人們常用的智能手機的充電器為例，全球保有量數(shù)十億只，如果智能手機的充電器都遵守GB20943新版電源能效的強制標準，那么有助于提升電源產(chǎn)品能效，減少碳排放量，構建綠色能源消費新模式。

構建新型電力系統(tǒng)，清潔低碳是目標，安全充裕是前提，經(jīng)濟高效是關鍵。意法推出基于ST-ONEHP設計的140W USB-PD3.1充電方案，不僅擁有非常高的轉換效率，還擁有很高的能效標準，且產(chǎn)品自帶完善的保護功能，以及非常低成本的調試功能。極大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和易于廠商進行調試，滿足廠商對于開發(fā)不同產(chǎn)品的需求。該方案適用于USB-PD筆記本電腦適配器、高功率密度充電器、AC-DC適配器、大功率充電器等。

審核編輯：湯梓紅