文章重點

1)提高充電器的效率和功率密度是大勢所趨2)ST-ONE所采用的ACF拓撲有助于提高效率和功率密度，是快充產(chǎn)品的最佳選擇3)MasterGaN為代表的氮化鎵技術推動功率轉換實現(xiàn)了飛躍，必將引領新的潮流。

引言

本文首先回顧了USB-PD適配器的發(fā)展，并和大家聊一聊USB-PD適配器中常見的拓撲。接著著重介紹ST在快充領域的最新產(chǎn)品和技術路線。最后我們會以demo板為例，跟大家探討一下USB-PD適配器的技術細節(jié)和設計時的注意事項。

電源無處不在，我們的生活中隨處可見各種各樣的電源產(chǎn)品，小到手機充電器，大到太陽能光伏陣列，電源把電網(wǎng)中的澎湃電能轉化成各種我們需要的電壓為不同的設備供電，維持著整個現(xiàn)代社會的高速運轉。正因為電源充斥著我們的生活各個角落，隨著全球各國碳達峰，碳中和目標的制定，能源的有效利用就變得尤為關鍵和重要。

隨著這些年電池充電技術的快速發(fā)展，USB-PD適配器的功率等級也在迅速增加，從最初的5伏1安到現(xiàn)在很多手機標配的120W快充，手機廠家在充電器上內(nèi)卷的程度絲毫不亞于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。甚至USB協(xié)會也在2021年6月發(fā)布了USB PD 3.1標準，直接把USB-C口的充電功率提升到了48V/5A—240W，給充電器內(nèi)卷又加了一把火。隨著充電器的功率越來越大，一個問題就凸顯出來：充電器的尺寸是否也會無限制的增長?從便攜性的角度出發(fā)，這顯然是不可能的，于是就引出了另一個重要概念——功率密度。

電源產(chǎn)品的功率密度一般是指單位體積能夠提供的功率，單位一般是瓦/立方厘米或者瓦/立方英寸。簡而言之就是如何在更小的空間里提供更多的能量。為什么功率密度如此重要?我們先來看看提高功率密度能帶來哪些顯而易見的好處。提高功率密度，首先相同功率的電源，尺寸和重量都降低了，這樣能夠節(jié)省整體物料的體積和成本，同時產(chǎn)品的安裝和維護更輕松便捷，從另一個方面節(jié)約了成本。對于那些需要隨聲攜帶的產(chǎn)品，變小了以后便攜性也得到了提升。既然功率密度如此重要，那么如何在現(xiàn)有的條件下提高產(chǎn)品的功率密度呢?

在回答這個問題前，我們先來了解一下目前不同功率段適配器中主要使用的拓撲。首先我們根據(jù)市場上的主流產(chǎn)品，把充電器分成三個功率段：45W以下，45W到100W，100W以上。45W以下，QR反激拓撲是絕對的霸主。而當功率上升到65W，有源鉗位反激拓撲也出現(xiàn)在了一些產(chǎn)品中;當功率等級上升到100W以上時，PFC+LLC/ACF/AHB都可以覆蓋相關應用，根據(jù)具體的應用，充電口的數(shù)量來選擇不同的拓撲。而不同的拓撲所能實現(xiàn)的功率密度也大不相同。QR反激拓撲的功率一度一般會在1W/立方厘米以內(nèi)，而ACF可以輕松達到1.5W/立方厘米。

【圖為不同功率段適配器中主要使用的拓撲】

那么為什么傳統(tǒng)反激和有源鉗位反激相比，在功率密度上會有如此顯著的差距呢?主要是由二者不同的工作原理決定的。傳統(tǒng)反激的工作原理相信大家都很清楚了，主開關管開通時，能量被存儲在變壓器中，并在主開關管關斷后傳遞到副邊，而變壓器漏感產(chǎn)生的能量則被存儲在C2中，最后通過R2消耗掉，產(chǎn)生了損耗。而有源鉗位反激在傳統(tǒng)反激的基礎上衍生出來的拓撲，最大的區(qū)別就在于通過對鉗位管的控制，使之前存儲在C2里的漏感能量被循環(huán)利用了，并且實現(xiàn)了主開關管的ZVS，從而降低了開關損耗。所以相較于傳統(tǒng)反激，有源鉗位反激可以實現(xiàn)更高的工作頻率，更高的效率，以及更好的EMI特性。自然也就實現(xiàn)了更高的功率密度。ACF的優(yōu)點顯而易見，但是相比傳統(tǒng)反激，它也有一些不足之處，例如鉗位開關管的控制需要高壓隔離驅動，控制方式更為復雜。而傳統(tǒng)反激由于沒用到鉗位開關管，所以成本上更低，控制方式更簡單。但是在需要更高功率密度的場合，ACF顯然是更好的選擇。

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下面我們就來著重介紹一下ST最新的ACF控制器——ST-ONE，適用于USB-PD充電器的全集成數(shù)字控制器。

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ONE代表這是一顆ALL IN ONE的全集成芯片，一顆芯片跨越了原副邊，其中包含了原邊高壓啟動及X電容放電電路，有源鉗位反激控制，副邊同步整流控制以及大于6.4KV的專利的原副邊隔離技術，同時芯片還集成了USB-PD協(xié)議控制器?？梢哉f一個PD充電器的所有控制單元都被集成在了一顆芯片里，最大限度的幫助設計人員減少BOM中的物料數(shù)量。ST-ONE可支持單口或多口輸出的的應用，設計的電源可實現(xiàn)大于30W/inch3的功率密度，峰值效率超過95%，開關頻率最高支持1MHz，并且已經(jīng)通過了USB-PD 3.1 PPS認證。是設計輕量化，小型化，大功率適配器的最佳選擇。

【上圖為ST-ONE的典型應用電路，我們可以看到，外圍電路非常的簡潔，可以幫助研發(fā)人員大大的降低設計難度，縮短從設計到量產(chǎn)的時間，快速的推動產(chǎn)品上市?！?/p>

ACF拓撲根據(jù)控制方式的不同，又可以分為互補式和非互補式。所謂互補式，也就是鉗位開關和主開關互補導通，實現(xiàn)了ZVS;而經(jīng)典的非互補式，鉗位開關管只在副邊電流過零的時候開啟一次，在實現(xiàn)ZVS的同時減少了鉗位開關的RMS電流。而ST的ACF控制器也采用了非互補式控制方式，但在經(jīng)典的非互補式控制的基礎上，鉗位管分別在主開關管關斷后和副邊過零時開啟兩次，這樣做的好處除了上面提到的兩點，還可以降低鉗位開關的反向導通損耗，特別適合氮化鎵的應用場合。同時我們可以看到副邊同步整流管的應力也非常小，所以我們可以選擇耐壓更低的同步整流管，在降低成本的同時也有助于EMI。

【上圖清晰的描述了互補式控制，經(jīng)典非互補式控制以及ST的非互補式控制各自的工作方式和特點。】

ST-ONE內(nèi)部有一顆32位Cortex M0+的內(nèi)核以及64K Flash，所以本質上這是一顆數(shù)字控制器。數(shù)字控制可以方便的根據(jù)不同負載使轉換器工作在不同的模式。例如工作在連續(xù)模式，從下圖的對比可以看到，連續(xù)模式下的原邊電流有效值明顯減小，在5V輸出條件下測得1.5%的效率提升，同時還可以減小變壓器的尺寸，提高功率密度。

既然是數(shù)字控制器，那自然少不了好用的圖形用戶界面。ST-ONE GUI是一種開發(fā)用于幫助開發(fā)人員設置和監(jiān)控ST-ONE行為的工具。它可以從客戶設計產(chǎn)品之初一直到生產(chǎn)階段被使用?；竟δ馨ǎ洪W存內(nèi)容的讀寫，處理自動化工業(yè)燒錄。特有的功能包括讀取即時信息，實時了解電源工作狀況，幫助更好的設計環(huán)路。

總結一下，ST-ONE是一顆集成度非常高的控制器，集成了所有的電源控制部分，并且采用ACF的控制方式，非常適合氮化鎵的應用。相信大家也注意到了，為了使芯片不要過于臃腫，并且方便設計人員對功率進行擴展，ST-ONE內(nèi)部并沒有集成功率器件。所以針對ACF/半橋等應用，ST引領氮化鎵充電技術新浪潮，推出了全球第一款半橋架構，并且集成驅動的氮化鎵芯片——MasterGaN，推動電源的性能全面超越傳統(tǒng)硅基晶體管方案。

審核編輯：湯梓紅

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