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VIPERGAN50高效准谐振离线高压转换器技术解析与应用指南

科技观察员 2025-10-31 11:07 次阅读
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STMicroelectronics VIPERGAN50高压转换器是一款先进的准谐振离线高压转换器,设有E-mode GaN HEMT。VIPERGAN50设计用于中等功率准谐振ZVS(开关导通时零电压开关)反激式转换器,能够在宽范围内提供高达50W输出功率。该高压转换器集成一整套特性,可提供极其灵活、简单易用的芯片,帮助设计高效离线电源

数据手册:*附件:STMicroelectronics VIPERGAN50高压转换器数据手册.pdf

ZVS准谐振操作具有动态消隐时间特性和谷值同步功能,可始终在漏极谐振的谷值开启电源开关。最终,运行和特性可降低开关损耗,并最大限度地提高任何输入线路和负载条件下的整体效率。先进的电源管理和低静态电流可实现低待机功耗。前馈补偿可降低整个输入电压范围内的最大输出峰值功率变化。

除上述功能外,STMicroelectronics VIPERGAN50还支持保护功能,可大大提高最终产品的安全性与可靠性。其中包括输出过压保护、过热保护(OTP)、过载保护(OLP),以及设定转换器启停输入电压电平的欠压/过压保护。输入过压保护(iOVP)功能可在输入线路电压异常升高时保护系统。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
  • 谷值锁定,确保恒定谷值跳跃
  • 先进的电源管理,具有自适应突发模式,待机功耗低于30mW
  • 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

引脚图

1.png

VIPERGAN50高效准谐振离线高压转换器技术解析与应用指南

摘要
VIPERGAN50是意法半导体推出的集成了650V E-mode GaN HEMT的准谐振反激转换器,凭借创新的谷底开关技术和动态消隐时间控制,在50-75W功率范围内可实现超过93%的转换效率。本文基于最新版数据手册(DS13888 Rev 1)深入解析其核心技术特性,并提供实际应用设计指导。


一、核心技术创新

  1. GaN与准谐振的完美结合
    • 集成650V增强型GaN晶体管,具备超低栅极电荷(典型值7nC)和零反向恢复损耗
    • 谷底锁定技术(Valley-lock)确保在宽负载范围内保持稳定的谷底开关,避免可闻噪声
  2. 动态能效管理系统
    • 四模式自动切换:QR模式(重载)→ 谷底跳过模式(中载)→ 频率折返模式(轻载)→ 突发模式(空载)
    • 待机功耗<30mW,符合最新能效标准

二、关键参数与技术亮点

2.1 功率级特性

  • 最大阻断电压‌:650V(瞬态850V/1μs)
  • 导通电阻‌:125mΩ @25℃(典型值)
  • 输出功率能力‌:
    • 宽电压输入(85-265VAC):50W
    • 高压输入(185-265VAC):75W

2.2 独特的系统保护机制

  • 输出过压保护(OVP) ‌:2.5V阈值,四周期数字滤波
  • 输入过压保护(iOVP) ‌:5V阈值,250μs延时
  • 热关断保护‌:140℃触发,2秒重启周期
  • 过载/短路保护‌:
    • OLP时间:50ms
    • 重启时间:1秒
  • 欠压锁定(UVLO) ‌:7.5V关断阈值

2.3 智能控制功能

  • 动态消隐时间‌:根据输入电压自动调整(7.64-14.18ms/mA增益)
  • 谷底同步‌:可调导通延时(197ns-1.1μs)
  • 线路电压前馈补偿‌:55μA/mA增益,保持功率稳定性

三、PCB布局关键建议

  1. 信号与功率分离原则
    • VDD去耦电容紧靠IC放置
    • 功率地与信号地单点星形连接
  2. 热管理设计
    • 裸露焊盘(EP)必须连接到GND
    • 推荐使用4层FR4板,2oz铜厚
    • 热阻参数:结到环境32℃/W(自然对流)

四、效率优化策略

4.1 轻载效率提升

  • 突发模式自动进入条件:VFB < VFBB - 60mV
  • 频率抖动技术:10kHz调制频率,5%峰值电流变化

4.2 满载效率保证

  • ZVS准谐振操作:开关损耗降低40%
  • 可调谷底同步:精确匹配谐振谷底

五、实测性能对比

工作模式开关频率范围峰值效率适用场景
QR模式65-240kHz93-94%适配器/充电器
谷底跳过固定频率段91-92%工业电源
频率折返25-65kHz88-90%家电辅助电源

六、设计注意事项

  1. 启动时序管理
    • VDD_ON阈值:14-16V
    • VDD_OFF阈值:7.5-8.5V
    • 软启动时间:8ms
  2. 保护功能配置
    • OVP电阻计算:ROVP = (NAUX/NSEC) × (VOVP/(VOUT_OVP - VOVP)) × ROPP
  3. EMI抑制措施
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