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ST VIPERGAN50/65/100系列高压氮化镓转换器
2023-07-21 266次


  VIPERGAN50、VIPERGAN65和VIPERGAN100是意法半导体VIPerGaN系列中首款高压GAN转换器,可在宽范围工作电压(9V至23V)中分别提供50W、65W和高达100W的功率。我们还推出了EVLVIPGAN100PD,这是我们首款用于USB-PD应用的VIPERGAN100评估板。VIPerGaN器件使用650V氮化镓(GaN)晶体管,这意味着在自适应突发模式开启时,待机模式下的功耗低于30mW。QFN 5mmx6mm封装也使其在业内同等功率输出中拥有较小的封装尺寸。

虽然器件相似,但由于GaN晶体管的RDS(ON)较低(VIPERGAN50为450 mΩ;VIPERGAN65为260mΩ;VIPERGAN100为225mΩ),因此输出功率可能更高。VIPERGAN100在欧洲电压范围(185-265VAC)内可提供100W的输出功率。其他情况下,则将提供75W(85-265VAC)的功率。此外,所有器件均可实现引脚兼容,工程师无需大幅改变PCB布局或设计即可快速互换。因此,我们的团队希望通过更实用的产品组合来降低GaN的门槛。

 

  为何选择QR ZVS反激式转换器?

  应用不断对功率密度提出更高要求

  

 

▲越来越小的充电器

 

2002年11月的AN1326(L6565准谐振控制器)应用笔记中,我们解释了工程师经常在电视和其他电器的开关模式电源(SMPS)中使用准谐振(QR)零电压开关(ZVS),也称为开启时谷底开关。其拓扑结构至今依然适用,并已出现在更多产品中。其原因在于,功率包络的密集度每过十年就会显著增加。例如,现在像素更高的电视,其功耗要求也更为严格。同样,虽然50W充电器并非新产品,但消费者需要的是外观轻便,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。

 

  QR ZVS反激式转换器不断需求更高效率

业界经常选用准谐振转换器,主要原因在于其较高的效率。传统PWM转换器中,在电压最高时开启器件,会导致功率损耗随开关频率的增加而上升。工程师可使用缓冲电路缓解此类情况,但提高效率的有效途径是软开关,即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恰巧可以满足这一需求。

 

  为何选择VIPERGAN50、VIPERGAN65或VIPERGAN100?

  GaN晶体管

  

 

▲VIPerGaN器件

 

  VIPERGAN50、VIPERGAN65和VIPERGAN100使用与MASTERGAN系列相同的650V GaN晶体管,因此具有类似优势。例如,GaN高电子迁移率意味着器件可适用于高开关频率。因此,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。从时间来看,VIPERGAN50率先问世。此后,意法半导体陆续发布了具有更大输出功率的型号来展示其对GaN的承诺。

  多模式操作

  新器件可通过多模式操作优化其性能。简言之,VIPERGAN50、VIPERGAN65或VIPERGAN100可根据负载调整其开关频率。在重负载期间,准谐振电路可将GaN的导通与变压器去磁(ZCD引脚)同步,显著减少损耗。同样,重负载载或中等负载会触发跳谷。概括而言,负载降低时,晶体管可跳过一个或多个谷底。在这种情况下,开关频率会降低以限制损耗。

  同样,频率折返模式可在中等和轻负载期间降低频率,但确保其保持在某个阈值以上以防止噪声。最后,在轻载或空载时,突发模式可将开关频率限制在几百赫兹,同时保持恒定峰值电流以防止噪声。在最后一种模式中,VIPERGAN50、VIPERGAN65和VIPERGAN100的静态电流仅为900µa。因此,新器件可助力满足要求更高能效以节省全球资源的新环境法规。

  

 

▲VIPERGAN50多模式操作

 

  保护功能

  传统上,工程师添加外部器件以提供安全功能并保护其电路。VIPERGAN50、VIPERGAN65和VIPERGAN100可极大提高效率,这意味着意法半导体有空间容纳更多的安全功能。因此,设计师在电路板上需要更少的组件,从而减少所用材料。举例而言,新器件是VIPer Plus系列中首款提供输入过压保护(iOVP)以防止突然电压尖峰的器件。同理,brown-in/brown-out功能通过设置启动运行和停止运行的最小输入电压监控电源电压,以保护系统免受不可靠电源的影响。这些功能的优先级高于更常见的过温和过载/短路保护。

  

 

▲EVLVIPGAN100PD

 

  EVLVIPGAN100PD,这是一款采用了Power Delivery 3.0的100W USB-C应用参考设计。该板具有五种电源传输模式:5V-3A、9V-3A、12V-3A、15V-3A、20V-5A,团队可由此打造一个带原理图的硬件平台,用于启动其自定义PCB和配置文件,这些PCB和配置接近其在应用中使用的配置文件。无论电源电压是115V还是230V,即使在50%的负载下,系统的峰值效率依然超过90%。

 

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