意法半導(dǎo)體首款氮化鎵功率轉(zhuǎn)換器瞄準下一代50W高能效電源設(shè)計

　　來源：意法半導(dǎo)體博客

　　VIPERGAN50是意法半導(dǎo)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(chǎn)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(yīng)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(nèi)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(zhuǎn)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(guān)電源(SMPS)中使用準諧振(QR)零電壓開關(guān)(ZVS)，也稱為谷底開通，該拓撲結(jié)構(gòu)正出現(xiàn)在更多產(chǎn)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(chǎn)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(shè)備快速充電的產(chǎn)品。

　　

　　越來越小的充電器

　　QR ZVS反激式轉(zhuǎn)換器不斷追求更高效率。業(yè)界經(jīng)常選用準諧振轉(zhuǎn)換器，主要是因為它的效率較高。傳統(tǒng)PWM轉(zhuǎn)換器在電壓最高時開啟器件，這會導(dǎo)致功率損耗隨開關(guān)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(guān)，這意味著在電壓或電流為零時進行開關(guān)。為此，通過諧振（電感-電容或LC）將方波信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(dǎo)體此類別的首款產(chǎn)品，因此具有極大象征意義。意法半導(dǎo)體將繼續(xù)把GaN作為業(yè)務(wù)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(diào)整其開關(guān)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(guān)可最大限度地減少導(dǎo)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(guān)損耗，并利用意法半導(dǎo)體專有的谷底鎖定技術(shù)防止產(chǎn)生人耳可以聽到的噪聲。頻率折返模式配合零壓開關(guān)可確保在輕負載條件下實現(xiàn)盡可能高的能效。自適應(yīng)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(nèi)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(shè)計師可減少電路板上需要的組件，從而減少所用物料。