意法半导体首款氮化镓功率转换器瞄准下一代50W高能效电源设计

VIPERGAN50是意法半导体VIPerPLUS系列首款可在宽工作电压(9 V至23 V)下提供高达50 W功率的产品。这也是ST首款采用氮化镓(GaN)晶体管的VIPer器件。得益于650 V GaN器件,VIPERGAN50在自适应间歇工作模式(burstmode) 开启的情况下,待机功耗低于30 mW。此外,该器件的保护功能可提高稳健性并有助于减少所用的物料。QFN5x6 mm封装也使其成为业内同等功率输出中封装最小的器件之一。VIPERGAN50已批量供货,配有USB-PD供电端口的开发板也即将面世。

为什么选择QR ZVS反激式转换器?

越来越小的充电器需要更高的功率密度。工程师经常在电视和其他电器的开关电源(SMPS)中使用准谐振(QR)零电压开关(ZVS),也称为谷底开通,该拓扑结构正出现在更多产品中。原因在于,功率密度每过十年就变得越来越高。例如,现在的电视像素更高,功耗要求也更严格。同样,虽然50W充电器并非新产品,但消费者需要外观更小巧、且能给笔记本电脑、平板电脑、手机和其他设备快速充电的产品。

越来越小的充电器

QR ZVS反激式转换器不断追求更高效率。业界经常选用准谐振转换器,主要是因为它的效率较高。传统PWM转换器在电压最高时开启器件,这会导致功率损耗随开关频率的增加而增加。工程师可使用缓冲电路缓解此类情况,但提高效率的最佳方法是软开关,这意味着在电压或电流为零时进行开关。为此,通过谐振(电感-电容或LC)将方波信号转换为正弦波形。在ZVS中,启动发生在曲线底部或谷底。多年来,工程师试图提高QR ZVS反激式转换器效率,而GaN正好给出一个新答案。

VIPerGaN50 有哪些独特优势?

先进的GaN晶体管特性。VIPerGaN50 使用与MASTERGAN系列相同的650 V GaN晶体管,因此具有类似优势。例如,GaN的高电子迁移率意味着该器件可适用于高开关频率。因此,该器件可承受更大负载,同时减少损耗。有鉴于此,GaN可用于制造可输出更高功率、同时整体尺寸更小的电源。VIPerGaN50 是意法半导体此类别的首款产品,因此具有极大象征意义。意法半导体将继续把GaN作为业务发展重点,使用具有更高规格的晶体管。因此,未来的 VIPerGaN 型号将具有更高的输出功率。

VIPerGaN50

多模式工作 VIPerGaN50有多种不同的工作模式,可根据其负载调整其开关频率,在所有输入电压和负载条件下,最大限度提高电源能效。在高负载下,准谐振 (QR) 模式配合零压开关可最大限度地减少导通损耗和电磁辐射 (EMI)。在轻负载下,跳谷底模式可以控制开关损耗,并利用意法半导体专有的谷底锁定技术防止产生人耳可以听到的噪声。频率折返模式配合零压开关可确保在轻负载条件下实现尽可能高的能效。自适应间歇工作模式可以在极低负载条件下最大程度降低功率损耗。此外,先进的电源管理功能可将待机功率降至 30mW 以下。

VIPerGaN50的多种不同工作模式

更佳的保护功能。VIPerGaN50内置功能确保电源的安全性和可靠性,包括输出过压保护、brown-in/brown-out,以及输入过压保护。还提供输入电压前馈补偿,以最大限度地减少输出峰值功率变化。其他安全功能包括嵌入式过温保护和最大限度地减少 EMI的频率抖动功能。因此,设计师可减少电路板上需要的组件,从而减少所用物料。