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，這意味著在自適應突發(fā)模式開啟時，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，所有器件均可實現(xiàn)引腳兼容，工程師無需大幅改變PCB布局或設計即可快速互換。因此，我們的團隊希望通過更實用的產品組合來降低GaN的門檻。

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常在電視和其他電器的開關模式電源(SMPS)中使用準諧振(QR)零電壓開關(ZVS)，也稱為開啟時谷底開關。其拓撲結構至今依然適用，并已出現(xiàn)在更多產品中。其原因在于，功率包絡的密集度每過十年就會顯著增加。例如，現(xiàn)在像素更高的電視，其功耗要求也更為嚴格。同樣，雖然50 W充電器并非新產品，但消費者需要的是外觀輕便，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品。

• QR ZVS反激式轉換器不斷需求更高效率

業(yè)界經常選用準諧振轉換器，主要原因在于其較高的效率。傳統(tǒng)PWM轉換器中，在電壓最高時開啟器件，會導致功率損耗隨開關頻率的增加而上升。工程師可使用緩沖電路緩解此類情況，但提高效率的有效途徑是軟開關，即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恰巧可以滿足這一需求。

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，因此具有類似優(yōu)勢。例如，GaN高電子遷移率意味著器件可適用于高開關頻率。因此，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。從時間來看，VIPERGAN50率先問世。此后，意法半導體陸續(xù)發(fā)布了具有更大輸出功率的型號來展示其對GaN的承諾。

• 多模式操作

新器件可通過多模式操作優(yōu)化其性能。簡言之，VIPERGAN50、VIPERGAN65或VIPERGAN100可根據(jù)負載調整其開關頻率。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，顯著減少損耗。同樣，重負載載或中等負載會觸發(fā)跳谷。概括而言，負載降低時，晶體管可跳過一個或多個谷底。在這種情況下，開關頻率會降低以限制損耗。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閾值以上以防止噪聲。最后，在輕載或空載時，突發(fā)模式可將開關頻率限制在幾百赫茲，同時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，新器件可助力滿足要求更高能效以節(jié)省全球資源的新環(huán)境法規(guī)。

【VIPERGAN50多模式操作】

• 保護功能

傳統(tǒng)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功能通過設置啟動運行和停止運行的最小輸入電壓監(jiān)控電源電壓，以保護系統(tǒng)免受不可靠電源的影響。這些功能的優(yōu)先級高于更常見的過溫和過載/短路保護。

如何入門？

【EVLVIPGAN100PD】

建議入門者從評估板開始熟悉。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帶原理圖的硬件平臺，用于啟動其自定義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。無論電源電壓是115 V還是230 V，即使在50%的負載下，系統(tǒng)的峰值效率依然超過90%。該板還使用基于L6564的功率因數(shù)校正系統(tǒng)來限制失真。

ST已經發(fā)布了兩個帶VIPERGAN50的PCB。

EVLVIPGAN50PD將幫助工程師開發(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，用于實現(xiàn)15 V/50 W反激式轉換器。因此，與USB系統(tǒng)專用平臺相比，該板支持通用性更強的應用，也使得工程師能夠快速啟動應用。最后是帶VIPERGAN65的評估板EVLVIPGAN65PD，其同樣面向USB Power Delivery電源。