找方案 | 基于ST-ONE數(shù)字控制器和MasterGaN2設(shè)計(jì)的 65W ACF USB PD之適配器應(yīng)用方案

STDES-65ACFADP是一款用于USB Type-C的65W 有源箝位反激式適配器參考設(shè)計(jì)，在整個(gè)操作負(fù)載范圍和通用電源輸入電壓范圍內(nèi)均顯示出高效性能。該參考設(shè)計(jì)為采用平面變壓器技術(shù)的緊湊型解決方案開辟了道路，并提供滿載時(shí)的峰值效率為93.7%。它還滿足CoC 2級和DoE 6級平均效率要求。軟開關(guān)拓?fù)溆兄诮档烷_關(guān)損耗，同時(shí)低靜態(tài)電流消耗使其成為同類產(chǎn)品中最佳的空載消耗。該DEMO板主要用ST-ONE數(shù)字控制器來實(shí)現(xiàn)專有的ZVS有源箝位反激，具有低RMS電流，從而實(shí)現(xiàn)了高性能。該控制器承諾提高廣泛的AC-DC適配器的效率，包括筆記本電腦和智能手機(jī)充電器，完全符合USB-PD 3.1。使用ST-ONE中嵌入的同步整流數(shù)字控制將二次損耗降至最低。初級側(cè)由于MasterGaN2的性能，降低了開關(guān)和傳導(dǎo)損耗，消除了反向恢復(fù)損耗，從而確保了更高的效率。高度集成的MasterGaN IC，所以無需再考慮GaN驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜性，即可享受GaN技術(shù)的好處，增強(qiáng)了應(yīng)用的穩(wěn)定性和PCB布局的簡化。

新型ST-ONE控制器基于先進(jìn)的氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體技術(shù)驅(qū)動(dòng)ST MasterGaN功率輸出模塊。氮化鎵晶片可顯著節(jié)省能源并縮小設(shè)備尺寸。USB Type-C的設(shè)計(jì)者 符合Power Delivery標(biāo)準(zhǔn)的適配器和壁裝充電器可以從ST-ONE+MasterGaN中受益，這是用于USB-PD充電器的最高功率密度解決方案。

MasterGaN 2的介紹：

MasterGaN的設(shè)計(jì)，展示了新款高集成度器件如何提高功率密度、能效，簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，縮短上市產(chǎn)品上市時(shí)間。利用GaN功率晶體管的高能效，參考設(shè)計(jì)一次側(cè)采用無散熱器設(shè)計(jì)。此外，GaN晶體管的開關(guān)性能出色，工作頻率高于普通硅基MOSFET解決方案，因此可以使用較小的電磁元件和電容，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更低的物料清單成本。ST的MasterGaN是集成一個(gè)STDRIVE半橋柵極驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)650V增強(qiáng)型GaN晶體管，目前MasterGaN系列有對稱和非對稱配置的MasterGaN1/2/3/4/5，其中MasterGaN1/4/5是對稱配置集成了兩個(gè)上下管內(nèi)阻一樣的GaN，采用9mm x 9mm的薄型GQFN封裝，封裝內(nèi)部電路額定電壓最高650V，高低壓焊盤之間的最高爬電距離超過2mm。

MASTERGAN2是一款先進(jìn)的封裝電源系統(tǒng)，集成了一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)不對稱半橋結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型GaN晶體管。集成功率GaN具有650 V漏源阻斷電壓和150 m的RDS（ON）? 和225米? 分別用于低端和高端，而嵌入式門驅(qū)動(dòng)器的高端可以很容易地由集成自舉二極管提供。MASTERGAN2在下部和上部驅(qū)動(dòng)部分都具有UVLO保護(hù)功能，可防止電源開關(guān)在低效或危險(xiǎn)條件下運(yùn)行，聯(lián)鎖功能可避免交叉?zhèn)鲗?dǎo)條件。輸入引腳擴(kuò)展范圍允許與微控制器、DSP單元或霍爾效應(yīng)傳感器輕松連接。該器件采用緊湊的9x9毫米QFN封裝。工作溫度范圍在-40°C至125°C的工業(yè)級產(chǎn)品。

ST-ONE 的介紹：

ST-ONE是世界上第一個(gè)將基于ArmCortex-M0+內(nèi)核的可編程脫機(jī)電源控制器、內(nèi)置64kB閃存、高壓啟動(dòng)電路、同步整流控制器和USB電源傳輸（USB-PD）電路集成在一個(gè)軟件包中的具有二次側(cè)數(shù)字離線控制器，通過USB-PD 3.1 PPS 認(rèn)證。它針對基于新型非互補(bǔ)有源鉗位反激拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，該拓?fù)湓?5 W以上的大功率設(shè)計(jì)中比其他拓?fù)渚哂懈叩男?。專門用于采用智能充電解決方案（包括USB-PD）的有源箝位反激變換器。該設(shè)備在一次側(cè)包括一個(gè)有源鉗位反激控制器及其啟動(dòng)，在二次側(cè)包括微控制器和控制轉(zhuǎn)換和通信所需的所有外圍設(shè)備。雙方通過嵌入式電隔離通信信道連接。設(shè)備在出廠時(shí)已加載固件，該固件處理電源轉(zhuǎn)換和USB-PD的通信協(xié)議，包括可選PPS和電子標(biāo)記電纜管理、SCP、FCP和QC 3.0 HVDCP B級。通過使用非互補(bǔ)的有源鉗位反激和專用電源模式，該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)高效率和低空載功耗。專用內(nèi)存存儲(chǔ)出廠過程中的默認(rèn)設(shè)備配置。用戶可以更改或調(diào)整此存儲(chǔ)區(qū)域以符合最終產(chǎn)品規(guī)格。

Demo 板原理圖：

?場景應(yīng)用圖

?產(chǎn)品實(shí)體圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢

1, 較少的外部輔助器件，集成32位 Cortex M0+ core 實(shí)現(xiàn)數(shù)控一體平臺(tái)；

2, 超高功率密度（30W/inch3），有利于產(chǎn)品小型化;

3, 高達(dá)1MHz的開關(guān)頻率操作，適用于GaN和平面變壓器;

4, 優(yōu)化同步整流數(shù)字控制，嵌入式6 kV電氣隔離;

5, 內(nèi)部嵌入式高壓啟動(dòng)、X-CAP自放電線路和負(fù)載開關(guān)功能，各種安全保護(hù)線路；

6, 非常緊湊及簡單的PCB布板;

?方案規(guī)格

?通用輸入電源范圍：90 Vac至264 Vac-頻率47 Hz至63 Hz

?輸出電壓范圍：5 VDC-20 VDC

?PD輸出：–五個(gè)固定PDO: 5V@3A，9V@3A，12V@3A，15V@3A，20V@3.25A.

?輸出功率：20 V-3.25 A，最大65 W。

?形狀系數(shù)：54 mm（長）*31 mm（寬）*25 mm（高）

?效率：滿足CoC Tier 2和DoE Level 6效率要求，最高效率為93.7#0伏交流電壓65瓦

?ACF一次側(cè)和二次側(cè)的數(shù)字控制

?集成GaN IC MASTERGAN2

?緊湊、簡化的PCB布局，減少材料清單

?符合EMC：CISPR32B/EN55032B

?平面變壓器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高功率密度