意法半导体如何打造高功率密度USB-PD充电器

‍‍‍‍‍‍‍手机厂家在充电器上的内卷程度丝毫不亚于互联网行业。随着电池充电技术的快速发展，USB-PD适配器的功率等级也在迅速增加，从最初的5V/1A到现在很多手机标配的120W快充。USB协会也在2021年6月发布了USB PD 3.1标准，直接把USB-C口的充电功率提升到了48V/5A—240W，给充电器内卷又加了一把火。

充电器的功率越来越大让一个问题凸显出来：充电器的尺寸是否也会无限制增长?从便携性的角度出发，这显然是不可能的，于是就引出了另一个重要概念——功率密度。如何在现有的条件下提高产品的功率密度?

ST专家为你详解ST-ONE+ MasterGaN解决方案如何打造高功率密度USB-PD充电器。

01 USB PD适配器中使用的主要拓扑

根据市场上的主流产品，USB PD充电器可分成三个功率段：45W以下，45W到100W，100W以上。45W以下，QR反激拓扑是绝对的霸主。当功率上升到65W，有源钳位反激拓扑出现在了一些产品中;功率等级上升到100W以上，PFC+LLC/ACF/AHB都可以覆盖相关应用，根据具体的应用，充电口的数量来选择不同的拓扑。而不同的拓扑所能实现的功率密度也大不相同。QR反激拓扑的功率一般会在1W/cm3以内，而ACF可以轻松达到1.5W/cm3。

▲不同功率段适配器中主要使用的拓扑

为什么传统反激和有源钳位反激在功率密度上会有如此显著的差距?主要是由二者不同的工作原理决定的。

传统反激的工作原理是：主开关管开通时，能量被存储在变压器中，并在主开关管关断后传递到副边，而变压器漏感产生的能量则被存储在C2中，最后通过R2消耗掉，产生了损耗。

而有源钳位反激在传统反激的基础上衍生出来的拓扑，最大的区别就在于通过对钳位管的控制，使之前存储在C2里的漏感能量被循环利用，并且实现了主开关管的ZVS，从而降低了开关损耗。所以相较于传统反激，有源钳位反激可以实现更高的工作频率，更高的效率，更好的EMI特性，以及更高的功率密度。但相比传统反激，它也有一些不足之处，例如钳位开关管控制需要高压隔离驱动，控制方式更为复杂。而传统反激由于没用到钳位开关管，所以成本更低，控制方式更简单。但是在需要更高功率密度的场合，ACF显然是更好的选择。

02 ST-ONE：适用于USB-PD充电器的全集成数字控制器

ST最新ACF控制器——ST-ONE是适用于USB-PD充电器的全集成数字控制器。ONE代表这是一颗ALL IN ONE的全集成芯片，包含了原边高压启动及X电容放电电路，有源钳位反激控制，副边同步整流控制以及大于6.4KV的专利的原副边隔离技术，同时还集成了USB-PD协议控制器，最大限度减少BOM物料数量。ST-ONE可支持单口或多口输出应用，可实现大于30W/inch3的功率密度，峰值效率超过95%，开关频率最高支持1MHz，并且已经通过USB-PD 3.1 PPS认证，是设计轻量化，小型化，大功率适配器的理想选择。

▲ST-ONE的典型应用电路，我们可以看到，外围电路非常的简洁，可以帮助研发人员大大的降低设计难度，缩短从设计到量产的时间，快速的推动产品上市。

ACF拓扑根据控制方式的不同，又分为互补式和非互补式。互补式，也就是钳位开关和主开关互补导通，实现了ZVS;而经典的非互补式，钳位开关管只在副边电流过零的时候开启一次，在实现ZVS的同时减少了钳位开关的RMS电流。而ST的ACF控制器采用了非互补式控制方式，但在经典的非互补式控制的基础上，钳位管分别在主开关管关断后和副边过零时开启两次，这样做的好处除了上面提到的两点，还可以降低钳位开关的反向导通损耗，特别适合氮化镓的应用场合。同时副边同步整流管的应力也非常小，所以可以选择耐压更低的同步整流管，在降低成本的同时也有助于EMI。

▲互补式控制，经典非互补式控制以及ST的非互补式控制各自的工作方式和特点

ST-ONE内部有一颗32位Cortex M0+内核以及64K Flash，数字控制可以根据不同负载使转换器工作在不同的模式。例如工作在连续模式，连续模式下的原边电流有效值明显减小，在5V输出条件下测得1.5%的效率提升，同时还可以减小变压器的尺寸，提高功率密度。

好用的图形用户界面是ST-ONE另一大优势。ST-ONE GUI是一种帮助开发人员设置和监控ST-ONE行为的工具，从客户设计产品之初一直到生产阶段都可以使用。基本功能包括：闪存内容的读写，处理自动化工业烧录。特有的功能包括读取即时信息，实时了解电源工作状况，帮助更好的设计环路。

03 氮化镓在电源中的应用优势

这些年，以碳化硅，氮化镓为首的第三代半导体成为热门话题，新的应用层出不穷，大有取代传统硅基晶体管之势。目前市场上的氮化镓器件普遍有两种方案，一种是分立方案，类似传统的硅MOS;另一种就是MasterGaN所采用的集成驱动方案。

目前市场上主流E-MODE氮化镓晶体管的栅极开通门槛电压Vgsth比较低，通常为1.2V左右，在关断时很容易因为高dV/dt和驱动回路里的杂散电感造成栅极振铃并导致管子误开通，在半桥结构拓扑里，会造成严重失效故障。而集成驱动方案由于其极低的杂散电感，可以很好解决这个问题。同时，电源回路里的杂散电感降低，还可以降低Vds电压峰值，减小开关损耗，改善EMI性能。

总而言之，氮化镓与驱动集成的方案优势包括：

1. 优化栅极驱动布局，效率很高;

2. 寄生效应小，可增加开关频率，提高功率密度;

3. 采用紧凑的单芯片解决方案，简化了设计。

04 ST MasterGaN引领氮化镓充电技术新浪潮

针对ACF/半桥等应用，ST引领氮化镓充电技术新浪潮，推出了全球第一款半桥架构，并且集成驱动的氮化镓芯片——MasterGaN，推动电源性能全面超越传统硅基晶体管方案。

MasterGaN平台首发的五款产品现已全部实现大规模量产，分别是上下管非对称半桥结构的MasterGaN 2和3，非常适合用于有源钳位反激拓扑。上下管为对称半桥结构的MasterGaN1/4/5，Rdson从150 mΩ至450 mΩ不等，最大可支持400W应用，通常用于LLC和ACF拓扑。全部五款产品都是pin to pin兼容，可以轻松替换。

05 基于ST-ONE和MasterGaN2的65W USB-PD快充解决方案

ST-ONE+MasterGaN方案使用了平面变压器的65W PD电源demo板，关键器件包括主控制器ST-ONE，原边开关管MasterGaN2和副边100V的同步整流管STL90N10F7。该电源支持90-264V的全电压输入，5-20V输出，最大输出功率65W，满足欧盟和美国最新的能效要求。借助ST-ONE和MasterGaN2两颗高集成度的芯片，实现了大于30W/inch3的功率密度，空间布局非常宽松。

▲Demo板主电路部分，PCB布局简洁，电源内部空间开阔，功率密度还可进一步提升。

MasterGaN2是一颗耐压650V，下管导通阻抗150mΩ，上管导通阻抗225mΩ的氮化镓芯片，内部集成了丰富的保护，包括上下管的互锁功能，这在半桥架构中非常有用，可以有效避免上下管直通造成的失效。同时，3.3-15V的PWM输入扩展范围，可轻松支持数字控制方案。ST-ONE同样也支持多工作模式，根据不同的输入和负载条件，ACF拓扑会工作在不同模式。从满载到轻载分别工作在正常模式，跳谷底模式，以及间歇工作模式，有助于提高轻载效率。

ST-ONE+ MasterGaN是适用于高功率密度USB-PD充电器的理想解决方案，可以将充电器的尺寸减少4倍，相当于减少200万吨的物料浪费，同时效率高达94%，节省的能源相当于三座核电站的年发电量!

▲更多采用MasterGaN的电源解决方案供参考，具体产品资料和评估板可在意法半导体官网获取。

审核编辑：汤梓红