意法半導體首款氮化鎵功率轉換器瞄準下一代50W高能效電源設計

　　來源：意法半導體博客

　　VIPERGAN50是意法半導體VIPerPLUS系列首款可在寬工作電壓（9 V至23 V）下提供高達50 W功率的產品。這也是ST首款采用氮化鎵(GaN)晶體管的VIPer器件。得益于650 V GaN器件，VIPERGAN50在自適應間歇工作模式(burstmode)開啟的情況下，待機功耗低于30 mW。此外，該器件的保護功能可提高穩(wěn)健性并有助于減少所用的物料。QFN5x6 mm封裝也使其成為業(yè)內同等功率輸出中封裝最小的器件之一。VIPERGAN50已批量供貨，配有USB-PD供電端口的開發(fā)板也即將面世。

　　

　　為什么選擇QR ZVS反激式轉換器？

　　越來越小的充電器需要更高的功率密度。工程師經(jīng)常在電視和其他電器的開關電源(SMPS)中使用準諧振(QR)零電壓開關(ZVS)，也稱為谷底開通，該拓撲結構正出現(xiàn)在更多產品中。原因在于，功率密度每過十年就變得越來越高。例如，現(xiàn)在的電視像素更高，功耗要求也更嚴格。同樣，雖然50W充電器并非新產品，但消費者需要外觀更小巧、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品。

　　

　　越來越小的充電器

　　QR ZVS反激式轉換器不斷追求更高效率。業(yè)界經(jīng)常選用準諧振轉換器，主要是因為它的效率較高。傳統(tǒng)PWM轉換器在電壓最高時開啟器件，這會導致功率損耗隨開關頻率的增加而增加。工程師可使用緩沖電路緩解此類情況，但提高效率的最佳方法是軟開關，這意味著在電壓或電流為零時進行開關。為此，通過諧振（電感-電容或LC）將方波信號轉換為正弦波形。在ZVS中，啟動發(fā)生在曲線底部或谷底。多年來，工程師試圖提高QR ZVS反激式轉換器效率，而GaN正好給出一個新答案。

　　VIPerGaN50有哪些獨特優(yōu)勢？

　　先進的GaN晶體管特性。VIPerGaN50使用與MASTERGAN系列相同的650 V GaN晶體管，因此具有類似優(yōu)勢。例如，GaN的高電子遷移率意味著該器件可適用于高開關頻率。因此，該器件可承受更大負載，同時減少損耗。有鑒于此，GaN可用于制造可輸出更高功率、同時整體尺寸更小的電源。VIPerGaN50是意法半導體此類別的首款產品，因此具有極大象征意義。意法半導體將繼續(xù)把GaN作為業(yè)務發(fā)展重點，使用具有更高規(guī)格的晶體管。因此，未來的VIPerGaN型號將具有更高的輸出功率。

　　

　　VIPerGaN50

　　多模式工作VIPerGaN50有多種不同的工作模式，可根據(jù)其負載調整其開關頻率，在所有輸入電壓和負載條件下，最大限度提高電源能效。在高負載下，準諧振(QR)模式配合零壓開關可最大限度地減少導通損耗和電磁輻射(EMI)。在輕負載下，跳谷底模式可以控制開關損耗，并利用意法半導體專有的谷底鎖定技術防止產生人耳可以聽到的噪聲。頻率折返模式配合零壓開關可確保在輕負載條件下實現(xiàn)盡可能高的能效。自適應間歇工作模式可以在極低負載條件下最大程度降低功率損耗。此外，先進的電源管理功能可將待機功率降至30mW以下。

　　

　　VIPerGaN50的多種不同工作模式

　　更佳的保護功能。VIPerGaN50內置功能確保電源的安全性和可靠性，包括輸出過壓保護、brown-in/brown-out，以及輸入過壓保護。還提供輸入電壓前饋補償，以最大限度地減少輸出峰值功率變化。其他安全功能包括嵌入式過溫保護和最大限度地減少EMI的頻率抖動功能。因此，設計師可減少電路板上需要的組件，從而減少所用物料。