ST VIPERGAN5065100系列高壓氮化鎵轉換器: 支持最高100W輸出功率

VIPERGAN50、VIPERGAN65和VIPERGAN100是意法半導體VIPerGaN系列中首款高壓GAN轉換器，可在寬范圍工作電壓（9 V至23 V）中分別提供50 W、65 W和高達100 W的功率。我們還推出了EVLVIPGAN100PD，這是我們首款用于USB-PD應用的VIPERGAN100評估板。VIPerGaN器件使用650V氮化鎵（GaN）晶體管，這意味著(zhù)在自適應突發(fā)模式開(kāi)啟時(shí)，待機模式下的功耗低于30 mW。QFN 5 mmx6 mm封裝也使其在業(yè)內同等功率輸出中擁有較小的封裝尺寸。

雖然器件相似，但由于GaN晶體管的RDS(ON)較低（VIPERGAN50為450 mΩ；VIPERGAN65為260 mΩ；VIPERGAN100為225 mΩ），因此輸出功率可能更高。VIPERGAN100在歐洲電壓范圍（185-265VAC）內可提供100W的輸出功率。其他情況下，則將提供75 W（85-265 VAC）的功率。此外，所有器件均可實(shí)現引腳兼容，工程師無(wú)需大幅改變PCB布局或設計即可快速互換。因此，我們的團隊希望通過(guò)更實(shí)用的產(chǎn)品組合來(lái)降低GaN的門(mén)檻。

為何選擇QR ZVS反激式轉換器？

• 應用不斷對功率密度提出更高要求

【越來(lái)越小的充電器】

在2002年11月的AN1326（L6565準諧振控制器）應用筆記中，我們解釋了工程師經(jīng)常在電視和其他電器的開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)中使用準諧振(QR)零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)，也稱(chēng)為開(kāi)啟時(shí)谷底開(kāi)關(guān)。其拓撲結構至今依然適用，并已出現在更多產(chǎn)品中。其原因在于，功率包絡(luò )的密集度每過(guò)十年就會(huì )顯著(zhù)增加。例如，現在像素更高的電視，其功耗要求也更為嚴格。同樣，雖然50 W充電器并非新產(chǎn)品，但消費者需要的是外觀(guān)輕便，且能給筆記本電腦、平板電腦、手機和其他設備快速充電的產(chǎn)品。

• QR ZVS反激式轉換器不斷需求更高效率

業(yè)界經(jīng)常選用準諧振轉換器，主要原因在于其較高的效率。傳統PWM轉換器中，在電壓最高時(shí)開(kāi)啟器件，會(huì )導致功率損耗隨開(kāi)關(guān)頻率的增加而上升。工程師可使用緩沖電路緩解此類(lèi)情況，但提高效率的有效途徑是軟開(kāi)關(guān)，即在電壓或電流為零時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)。為此，通過(guò)諧振（電感-電容或LC）將方波信號轉換為正弦波形。在ZVS中，啟動(dòng)發(fā)生在曲線(xiàn)底部或谷底。多年來(lái)，工程師試圖提高QR ZVS反激式轉換器效率，而GaN恰巧可以滿(mǎn)足這一需求。

為何選擇VIPERGAN50、VIPERGAN65或VIPERGAN100？

• GaN晶體管

【VIPerGaN器件】

VIPERGAN50、VIPERGAN65和VIPERGAN100使用與MASTERGAN系列相同的650 V GaN晶體管，因此具有類(lèi)似優(yōu)勢。例如，GaN高電子遷移率意味著(zhù)器件可適用于高開(kāi)關(guān)頻率。因此，器件可承受更大負載，同時(shí)減少損耗。有鑒于此，GaN可用于制造可輸出更高功率，同時(shí)整體尺寸更小的電源。從時(shí)間來(lái)看，VIPERGAN50率先問(wèn)世。此后，意法半導體陸續發(fā)布了具有更大輸出功率的型號來(lái)展示其對GaN的承諾。

• 多模式操作

新器件可通過(guò)多模式操作優(yōu)化其性能。簡(jiǎn)言之，VIPERGAN50、VIPERGAN65或VIPERGAN100可根據負載調整其開(kāi)關(guān)頻率。在重負載期間，準諧振電路可將GaN的導通與變壓器去磁（ZCD引腳）同步，顯著(zhù)減少損耗。同樣，重負載載或中等負載會(huì )觸發(fā)跳谷。概括而言，負載降低時(shí)，晶體管可跳過(guò)一個(gè)或多個(gè)谷底。在這種情況下，開(kāi)關(guān)頻率會(huì )降低以限制損耗。同樣，頻率折返模式可在中等和輕負載期間降低頻率，但確保其保持在某個(gè)閾值以上以防止噪聲。最后，在輕載或空載時(shí)，突發(fā)模式可將開(kāi)關(guān)頻率限制在幾百赫茲，同時(shí)保持恒定峰值電流以防止噪聲。在最后一種模式中，VIPERGAN50、VIPERGAN65和VIPERGAN100的靜態(tài)電流僅為900μa。因此，新器件可助力滿(mǎn)足要求更高能效以節省全球資源的新環(huán)境法規。

【VIPERGAN50多模式操作】

• 保護功能

傳統上，工程師添加外部器件以提供安全功能并保護其電路。VIPERGAN50、VIPERGAN65和VIPERGAN100可極大提高效率，這意味著(zhù)意法半導體有空間容納更多的安全功能。因此，設計師在電路板上需要更少的組件，從而減少所用材料。舉例而言，新器件是VIPer Plus系列中首款提供輸入過(guò)壓保護(iOVP)以防止突然電壓尖峰的器件。同理，brown-in/brown-out功能通過(guò)設置啟動(dòng)運行和停止運行的最小輸入電壓監控電源電壓，以保護系統免受不可靠電源的影響。這些功能的優(yōu)先級高于更常見(jiàn)的過(guò)溫和過(guò)載/短路保護。

如何入門(mén)？

【EVLVIPGAN100PD】

建議入門(mén)者從評估板開(kāi)始熟悉。我們即將推出EVLVIPGAN100PD，這是一款采用了Power Delivery 3.0的100W USB-C應用參考設計。該板具有五種電源傳輸模式：5V-3A,9V-3A,12V-3A,15V-3A,20V-5A.團隊可由此打造一個(gè)帶原理圖的硬件平臺，用于啟動(dòng)其自定義PCB和配置文件，這些PCB和配置接近其在應用中使用的配置文件。無(wú)論電源電壓是115 V還是230 V，即使在50%的負載下，系統的峰值效率依然超過(guò)90%。該板還使用基于L6564的功率因數校正系統來(lái)限制失真。

ST已經(jīng)發(fā)布了兩個(gè)帶VIPERGAN50的PCB。

EVLVIPGAN50PD將幫助工程師開(kāi)發(fā)45 W USB Power Delivery應用。該板甚至附帶功率配置文件，可作為參考設計。團隊還可以使用EVLVIPGAN50FL，用于實(shí)現15 V/50 W反激式轉換器。因此，與USB系統專(zhuān)用平臺相比，該板支持通用性更強的應用，也使得工程師能夠快速啟動(dòng)應用。最后是帶VIPERGAN65的評估板EVLVIPGAN65PD，其同樣面向USB Power Delivery電源。