意法半導(dǎo)體的140W USB-PD3.1充電方案助力提升電源產(chǎn)品能效

前言 構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，清潔低碳是目標(biāo)。為此各行各業(yè)都在為發(fā)展綠色電源而努力，目前我國(guó)新的電源能效強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB20943計(jì)劃2024年完成報(bào)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(dòng)自行車(chē)充電器、電池充電器、臺(tái)式機(jī)PC電腦電源、工作站服務(wù)器電源、數(shù)據(jù)中心電源、工業(yè)電源、開(kāi)架電源、導(dǎo)軌電源，有望覆蓋2000W功率各種形態(tài)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，實(shí)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(fēng)向標(biāo)的意法半導(dǎo)體第五屆工業(yè)峰會(huì)在深圳福田香格里拉大酒店隆重揭幕，并且舉行了線(xiàn)上直播，可以直擊智能熱點(diǎn)，共享前沿資訊。本次峰會(huì)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(hù)地球不是選擇而是勢(shì)在必行。半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)承載了引領(lǐng)和推動(dòng)快速創(chuàng)新的重要使命。作為可持續(xù)發(fā)展的重要推動(dòng)者，意法半導(dǎo)體堅(jiān)定承諾，肩負(fù)責(zé)任，積極參與可持續(xù)展創(chuàng)新。通過(guò)意法半導(dǎo)體優(yōu)化智能（數(shù)字化）、能源及電力轉(zhuǎn)換來(lái)促進(jìn)生產(chǎn)可再生能源、實(shí)現(xiàn)更高能效。同時(shí)，我們以前沿的產(chǎn)品及方案為碳減排開(kāi)道，加速碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，打造一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)。通過(guò)本次峰會(huì)，意法半導(dǎo)體將與您共同探索前沿電力轉(zhuǎn)換和能源解決方案，實(shí)現(xiàn)電力應(yīng)用的更高能效，促進(jìn)可再生能源發(fā)展。

本次峰會(huì)上，意法半導(dǎo)體研發(fā)（深圳）有限公司 應(yīng)用工程師 徐家龍，為大家?guī)?lái)了《基于ST-ONEHP設(shè)計(jì)的140W USB-PD3.1充電方案》的精彩演講。EVLONE140W是第一個(gè)根據(jù)USB-PD 3.1 EPR標(biāo)準(zhǔn)參考設(shè)計(jì)認(rèn)證。它支持寬的輸入電壓范圍，并支持SPR 4個(gè)檔位輸出，一個(gè)EPR 28V 140W輸出。

以上是140W USB-PD3.1設(shè)計(jì)的Demo圖和相關(guān)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(shí)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(kāi)關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)了>25W/inch高功率密度，在90Vac、115Vac、230Vac滿(mǎn)載測(cè)試下，均實(shí)現(xiàn)了超過(guò)93%的電源轉(zhuǎn)化效率，其中在230Vac滿(mǎn)載測(cè)試中，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到94.4%，滿(mǎn)足CoC Tier 2和DOE Level 6要求。

以上是EVLONE140W的典型電路應(yīng)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(guò)25w/inch3的功率密度。

基于ST-ONEHP和MasterGaN設(shè)計(jì)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(rèn)證，EPR輸出最大功率為140W（28V/5A），轉(zhuǎn)化效率最高大于94%，具有過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫等完整的保護(hù)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(dǎo)體L6563S是一顆增強(qiáng)型過(guò)渡模式PFC控制器，通過(guò)將整流濾波后的直流電升壓，進(jìn)行功率因數(shù)校正，擁有超低的啟動(dòng)電流≤100uA和完善的保護(hù)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(jìn)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(yīng)用。目前已應(yīng)用在蘋(píng)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(xiàn)電壓跟隨輸入變化而變化，可以?xún)?yōu)化全輸入范圍效率，Vo1和Vox可根據(jù)設(shè)計(jì)需要調(diào)整，滿(mǎn)足廠(chǎng)商的調(diào)試需求。

一體化數(shù)字ACF控制器ST-ONEHP的典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)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(bǔ)ACF控制的ST-ONE系列數(shù)字控制器，內(nèi)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(xiàn)可編程控制器與同步整流，與USB PD PHY一體封裝，具有強(qiáng)化電流隔離的集成單片。極短的開(kāi)發(fā)周期和極簡(jiǎn)的BOM，配合GaN使用，可以快速高效的幫助廠(chǎng)商開(kāi)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(jiàn)ACF控制方法比較，常見(jiàn)的互補(bǔ)式通過(guò)ZVS開(kāi)通，優(yōu)點(diǎn)是控制邏輯簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是效率偏低。第二種是傳統(tǒng)的非互補(bǔ)式，鉗位管在二次側(cè)電流為零時(shí)，開(kāi)通一次，優(yōu)點(diǎn)是鉗位管有較低的RMS電流。第三種是ST采用的新型非互補(bǔ)式，鉗位在開(kāi)通2次后，主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，次級(jí)電流為零，優(yōu)點(diǎn)是ZVS鉗位范圍廣，RMS電流較低，有效降低鉗位管的反向?qū)〒p耗，更適用于GaN管使用。

以上是ACF工作時(shí)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(kāi)關(guān)頻率和減少開(kāi)關(guān)損耗，從而提高效率，在負(fù)載逐漸降低時(shí)，會(huì)進(jìn)入該模式。

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

MASTERGAN1應(yīng)用于ACF的原理圖，集成柵極驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)增強(qiáng)型GaN晶體管應(yīng)用于半橋配置中的先進(jìn)電源解決方案。主要由集成增強(qiáng)型GaN晶體管、集成冊(cè)極驅(qū)動(dòng)電路、集成自舉二極管等部件組成，擁有內(nèi)部互鎖功能防止共通，OTP功能等完善的保護(hù)功能，上管和下管均有UVLO保護(hù)功能，防止電源工作在低效率或者危險(xiǎn)條件下。采用集成式智能封裝QFN 9x9 mm2，輸入引腳擴(kuò)展范圍3.3V到15V，同時(shí)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(nèi)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(shè)計(jì)和體積。

分立GaN和集成GaN解決方案的對(duì)比。分立GaN解決方案的柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路寄生電感會(huì)導(dǎo)致柵極振鈴并增加誤導(dǎo)通的可能性，功率回路寄生電感導(dǎo)致更高的電壓尖峰，為了減少上述影響，需要一個(gè)柵極電阻并需要一個(gè)優(yōu)化布局的多層PCB來(lái)降低干擾。

集成GaN解決方案只有極小的柵極驅(qū)動(dòng)回路寄生電感，大幅度降低了Vgs振鈴，降低了柵極應(yīng)力和驅(qū)動(dòng)器的輸出阻尼電阻，從而提高了可靠性，獲得更快的開(kāi)關(guān)速度，更低的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)損耗和EMI，以及更低的Vds電壓應(yīng)力。

以上是MASTERGAN門(mén)極驅(qū)動(dòng)邏輯-真值表。

MASTERGAN*系列共推出了5個(gè)產(chǎn)品，最高可支持400W產(chǎn)品應(yīng)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(qū)動(dòng)和兩顆650V增強(qiáng)型GaN HEMT晶體管結(jié)合方案，擁有緊湊、堅(jiān)固且易于設(shè)計(jì)的特性，適合廣大廠(chǎng)商的調(diào)試與應(yīng)用。

以上是MASTERGAN的封裝原理圖和引腳對(duì)應(yīng)的功能。采用QFN 9x9 mm2封裝工藝，對(duì)于PCB的布局非常友好，同時(shí)擁有非常好的散熱。

以上是意法半導(dǎo)體140W USB-PD3.1解決方案Demo的測(cè)試圖，使用USB PD3.1觸發(fā)器進(jìn)行測(cè)試。

使用STEVAL-PCCO20V2.1測(cè)試設(shè)置。ST-ONEHP可以通過(guò)調(diào)試來(lái)修改外圍參數(shù)，可以極大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和易于廠(chǎng)商進(jìn)行調(diào)試，滿(mǎn)足廠(chǎng)商對(duì)于開(kāi)發(fā)不同產(chǎn)品的需求。

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

以上是意法半導(dǎo)體140W USB-PD3.1解決方案的EMI測(cè)試，測(cè)試是在230Vac的條件下進(jìn)行的，EMI的表現(xiàn)符合預(yù)期的范圍內(nèi)。

以上是意法半導(dǎo)體140W USB-PD3.1解決方案的效率測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，該方案在90Vac條件下，電源的平均轉(zhuǎn)換率均超過(guò)了91%，在28V輸出情況下，滿(mǎn)載轉(zhuǎn)換效率為93.17%。

以上是意法半導(dǎo)體140W USB-PD3.1解決方案的效率測(cè)試，測(cè)試條件為115Vac，滿(mǎn)載情況下，該方案輸出電壓的轉(zhuǎn)換效率均超過(guò)91%，其中28V輸出情況下，平均轉(zhuǎn)換效率為92.68%，最大值接近94%。

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

充電頭網(wǎng)總結(jié)

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

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，清潔低碳是目標(biāo)，安全充裕是前提，經(jīng)濟(jì)高效是關(guān)鍵。意法推出基于ST-ONEHP設(shè)計(jì)的140W USB-PD3.1充電方案，不僅擁有非常高的轉(zhuǎn)換效率，還擁有很高的能效標(biāo)準(zhǔn)，且產(chǎn)品自帶完善的保護(hù)功能，以及非常低成本的調(diào)試功能。極大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和易于廠(chǎng)商進(jìn)行調(diào)試，滿(mǎn)足廠(chǎng)商對(duì)于開(kāi)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：劉清