前言
2023年9月28日，代表智能工业发展风向标的意法半导体第五届工业峰会在深圳福田香格里拉大酒店隆重揭幕，并且举行了线上直播，可以直击智能热点，共享前沿资讯。本次峰会以聚焦永创新、助推可持续变革为主题。
如今，世界正面临着非同寻常的挑战，保护地球不是选择而是势在必行。半导体生态系统承载了引领和推动快速创新的重要使命。作为可持续发展的重要推动者，意法半导体坚定承诺，肩负责任，积极参与可持续展创新。通过意法半导体优化智能（数字化）、能源及电力转换来促进生产可再生能源、实现更高能效。同时，我们以前沿的产品及方案为碳减排开道，加速碳中和目标的实现，打造一个可持续发展的未来。通过本次峰会，意法半导体将与您共同探索前沿电力转换和能源解决方案，实现电力应用的更高能效，促进可再生能源发展。
本次峰会上意法半导体研发（深圳）有限公司应用工程师刘品为大家带来了《基于VIPerGaN的快充解决方案》的精彩演讲。
本次演讲分为4个部分，分别是ST VIPer系列介绍、集成式GAN芯片的优势、VIPerGaN性能介绍、方案关键测试结果。接下来让我们进入本次演讲的第一部分ST VIPer的系列介绍。
以上是 VIPerPlus 系列的产品线，是意法半导体针对电源领域开发的产品。 VIPerPlus 系列的产品经过二十多年的迭代更新，加之长期与客户进行产品的磨合与调试，获得更高的可靠性和稳定性，同时丰富了VIPerPlus 系列产品线的矩阵。
经过多年发展，VIPerPlus 系列的产品也引入了氮化镓技术加持，研发出新一代的VIPerGaN产系列产品，得益于氮化镓技术高效、高功率密度的特点，将VIPerGaN产系列产品的功率上限提升到了100W，获得更广泛的应用空间。
VIPerGaN是一款高集成的氮化镓芯片，拥有先进的PWM控制器和650V GaN 功率管，集成了高压启动功能、空载损耗小于30mW、自适应动态消隐时间和可调整的谷底同步、自适应打嗝模式等，还拥有完善的保护功能，开关频率高达240kHz。是一颗高效率、高功率密度的芯片，采用QFN5x6封装工艺，有效优化PCB板的布局空间和减少外围元器件，获得更好的EMI表现，该方案在满足能效要求的同时还拥有较低的 BoM 费用，十分适合充电器及适配器、家电、空调、消费品等领域的厂商应用。
集成GaN芯片的好处是，在芯片内部实现了氮化镓的直驱，通过合封方案，进一步减少因外部走线导致的寄生参数，从而减少寄生振荡对高频开关的影响，最大程度上抑制了氮化镓受干扰的问题，相比分离式GaN解决方案，拥有更多优势。
以上是VIPerGaN的引脚分布图，从图中可以看到VIPerGaN的管脚非常少，但是功能配置十分丰富和灵活，不同引脚可以实现不同的功能，拥有完善的保护功能。
VIPer系列的产品根据输入 OVP/BRin-out 设置，在输入电压不定的情况下拥有更高的可靠性。Brown-in 保护功能是用于定义最小的输入起机电压时，电压高于设定电压时，芯片才会发出PWM驱动；Brown-out 用于定义输入关机电压时，电压低于设定的电压，芯片会关闭驱动，从而起到保护产品的作用；输入OVP保护功能在输入母线电压过压的时候起到保护变换器的作用。如果用户无需采用此功能，直接对地短接即可。
动态消隐时间的好处。为了提高高压输入的效率，降低高压输入时的开关频率，意法半导体在方案中增加了动态消隐时间可调的功能，如图所示，增加后对于结温、开关损耗等均有不同程度的优化。
VIPer系列的产品拥有动态消隐时间和谷底同步功能。驱动开通的延迟时间可以通过外围电阻调节以达到准确的谷底开通。QR模式反激变换器的开关频率会随着输入电压升高而增大，VIPERGAN50可以通过动态消隐时间限制高压输入情况下的最大工作频率。实现在不同负载和不同输入电压情况下最大程度降低开关损耗，提高效率。
输出OVP主要通过检测ZCD脚的电压和与内部的基准进行比较，判断是否过压。为了避免管子关断时候的瞬时尖峰导致误判断，电压检测会在管子关断延迟一段时间后窗口内完成。如果电压采样超过了内部参考VOVP(2.5V典型值)，功率管停止工作。
为了进一步防止噪声干扰造成的意外触发保护，OVP比较器必须连续4次触发芯片才会做出应答一旦OVP保护被触发，功率管停止工作，VDD周期性的重新复位，并等待TRESTART(1秒 典型值)时间过后检查VDD是否达到开机电压VDD-ON，达到条件后软起动开机。
过载保护功能。当过载或者短路的情况下，检测到电流超过IDLIM 累计TOVL(50ms 典型值）时间后，管子停止工作并维持TRESTART时间(1 sec 典型值)。在此过程中VDD周期性的重新复位，TRESTART 时间过后，如果供电满足条件，功率管重新软启动。打嗝模式一直持续直到过载工况消夫。
以上是45W QR模式反激式变换器，应用了VIPerGaN50的解决方案。QR 控制器采用VIPERGAN50，SR 控制器采用SRK1001，同步整流采用STL100N10F7，PD 控制器采用STUSB4761组成的方案。支持90V~264V的宽幅输入和5 VDC~20 VDC的输出，支持USB-PD协议，最大功率为45W。该方案拥有非常紧凑简洁的PCB布局，有效减小器件数量，非常适合厂商应用开发。
以上是45W QR 模式反激式变换器主拓扑电路框图，从图中可以看到，该方案的外围器件非常少，电路非常简洁。
如图所示，应用了VIPerGaN50的解决方案，QR控制器自带自适应的调整机制，在不同输出情况下，选择不同工作模式，无论在什么模式下，都实现了氮化镓的谷底开通。在轻载时工作在 Valley skipping 及 Burst 式，以提高轻载效率。
以上是45W USB PD适配器进行115Vac 输入效率测试的曲线图，满足DoE 6级 & CoC 二级能效要求。
以上是45W USB PD适配器进行 230Vac 输入效率测试的曲线图，同样满足DoE 6级 & CoC 二级能效要求。
45W USB PD适配器效率曲线的10%负载时效率和4点平均效率对比图，对比的是45W USB PD适配器的115Vac输入和230Vac 输入情况下、与EU COC Rev 05- Tier2 Limit 的对比，如图所示，45W USB PD适配器的测试结果均超过DoE 6级 & CoC 二级能效要求。
以上是45W USB PD适配器的温升测试，在115V输入，45W输出时，相关元器件的温升情况如右图所示。
45W USB PD 传导测试，主要是针对EMI的测试，如图所以，传导测试通过EN55032 classB 且有6dB 以上的裕量。
在45W的基础上，意法半导体开发出效率表现更加优秀的65W Demo，原边采用VIPERGAN65打造而成。支持90V~264V的宽幅输入和5V~20V的输出，支持USB-PD协议，最大功率为65W。
65W USB PD 传导测试，主要是针对EMI的测试，如图所以，传导测试通过EN55032 classB 且有6dB 以上的裕量。
以上是65W USB PD适配器进行90Vac 输入效率测试的曲线图，在满载65W输出时，转换效率达到91.8%，4点的平均效率在92%左右，远高于DoE 6级 & CoC 二级能效要求。
以上是65W USB PD适配器进行230Vac 输入效率测试的曲线图，在65W输出时，转换效率高达93.82%。
以上是采用VIPerGaN100开发出的100W 适配器 Demo，原边采用VIPERGAN100，控制器采用L6564打造而成，同样支持90V~264V的宽幅输入和5V~20V的输出，该方案效率可达92.6%，功率密度大于24 W/in3。
充电头网总结
坚持可持续发展理念，要积极提升转型发展理念，推进产业绿色发展。绿色发展同样包括电源产业中的各个领域，包括产业的上中下游，电源产业的企业需要不断进行创新与绿色相融合，开发出更多绿色电源产品，而意法半导体推出基于VIPerGaN产品开发出来的适配器解决方案，就是一个很好的例子，不仅优化了PCB的布局，还拥有简洁的外围，减少不必要的电子垃圾产生，同时以上方案不仅满足厂商高效率的要求，还满足DoE 6级 & CoC 二级能效的要求，助力快充厂商构建出清洁低碳高效的快充产品。
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