意法半导体如何打造高功率密度USB-PD充电器
手机厂家在充电器上的内卷程度丝毫不亚于互联网行业。随着电池充电技术的快速发展，usb-pd适配器的功率等级也在迅速增加，从最初的5v/1a到现在很多手机标配的120w快充。usb协会也在2021年6月发布了usb pd 3.1标准，直接把usb-c口的充电功率提升到了48v/5a—240w，给充电器内卷又加了一把火。
充电器的功率越来越大让一个问题凸显出来：充电器的尺寸是否也会无限制增长?从便携性的角度出发，这显然是不可能的，于是就引出了另一个重要概念——功率密度。如何在现有的条件下提高产品的功率密度?
st专家为你详解st-one+ mastergan解决方案如何打造高功率密度usb-pd充电器。
01 usb pd适配器中使用的主要拓扑
根据市场上的主流产品，usb pd充电器可分成三个功率段：45w以下，45w到100w，100w以上。45w以下，qr反激拓扑是绝对的霸主。当功率上升到65w，有源钳位反激拓扑出现在了一些产品中;功率等级上升到100w以上，pfc+llc/acf/ahb都可以覆盖相关应用，根据具体的应用，充电口的数量来选择不同的拓扑。而不同的拓扑所能实现的功率密度也大不相同。qr反激拓扑的功率一般会在1w/cm3以内，而acf可以轻松达到1.5w/cm3。
▲不同功率段适配器中主要使用的拓扑
为什么传统反激和有源钳位反激在功率密度上会有如此显著的差距?主要是由二者不同的工作原理决定的。
传统反激的工作原理是：主开关管开通时，能量被存储在变压器中，并在主开关管关断后传递到副边，而变压器漏感产生的能量则被存储在c2中，最后通过r2消耗掉，产生了损耗。
而有源钳位反激在传统反激的基础上衍生出来的拓扑，最大的区别就在于通过对钳位管的控制，使之前存储在c2里的漏感能量被循环利用，并且实现了主开关管的zvs，从而降低了开关损耗。所以相较于传统反激，有源钳位反激可以实现更高的工作频率，更高的效率，更好的emi特性，以及更高的功率密度。但相比传统反激，它也有一些不足之处，例如钳位开关管控制需要高压隔离驱动，控制方式更为复杂。而传统反激由于没用到钳位开关管，所以成本更低，控制方式更简单。但是在需要更高功率密度的场合，acf显然是更好的选择。
02 st-one：适用于usb-pd充电器的全集成数字控制器
st最新acf控制器——st-one是适用于usb-pd充电器的全集成数字控制器。one代表这是一颗all in one的全集成芯片，包含了原边高压启动及x电容放电电路，有源钳位反激控制，副边同步整流控制以及大于6.4kv的专利的原副边隔离技术，同时还集成了usb-pd协议控制器，最大限度减少bom物料数量。st-one可支持单口或多口输出应用，可实现大于30w/inch3的功率密度，峰值效率超过95%，开关频率最高支持1mhz，并且已经通过usb-pd 3.1 pps认证，是设计轻量化，小型化，大功率适配器的理想选择。
▲st-one的典型应用电路，我们可以看到，外围电路非常的简洁，可以帮助研发人员大大的降低设计难度，缩短从设计到量产的时间，快速的推动产品上市。
acf拓扑根据控制方式的不同，又分为互补式和非互补式。互补式，也就是钳位开关和主开关互补导通，实现了zvs;而经典的非互补式，钳位开关管只在副边电流过零的时候开启一次，在实现zvs的同时减少了钳位开关的rms电流。而st的acf控制器采用了非互补式控制方式，但在经典的非互补式控制的基础上，钳位管分别在主开关管关断后和副边过零时开启两次，这样做的好处除了上面提到的两点，还可以降低钳位开关的反向导通损耗，特别适合氮化镓的应用场合。同时副边同步整流管的应力也非常小，所以可以选择耐压更低的同步整流管，在降低成本的同时也有助于emi。
▲互补式控制，经典非互补式控制以及st的非互补式控制各自的工作方式和特点
st-one内部有一颗32位cortex m0+内核以及64k flash，数字控制可以根据不同负载使转换器工作在不同的模式。例如工作在连续模式，连续模式下的原边电流有效值明显减小，在5v输出条件下测得1.5%的效率提升，同时还可以减小变压器的尺寸，提高功率密度。
好用的图形用户界面是st-one另一大优势。st-one gui是一种帮助开发人员设置和监控st-one行为的工具，从客户设计产品之初一直到生产阶段都可以使用。基本功能包括：闪存内容的读写，处理自动化工业烧录。特有的功能包括读取即时信息，实时了解电源工作状况，帮助更好的设计环路。
03 氮化镓在电源中的应用优势
这些年，以碳化硅，氮化镓为首的第三代半导体成为热门话题，新的应用层出不穷，大有取代传统硅基晶体管之势。目前市场上的氮化镓器件普遍有两种方案，一种是分立方案，类似传统的硅mos;另一种就是mastergan所采用的集成驱动方案。
目前市场上主流e-mode氮化镓晶体管的栅极开通门槛电压vgsth比较低，通常为1.2v左右，在关断时很容易因为高dv/dt和驱动回路里的杂散电感造成栅极振铃并导致管子误开通，在半桥结构拓扑里，会造成严重失效故障。而集成驱动方案由于其极低的杂散电感，可以很好解决这个问题。同时，电源回路里的杂散电感降低，还可以降低vds电压峰值，减小开关损耗，改善emi性能。
总而言之，氮化镓与驱动集成的方案优势包括：
1. 优化栅极驱动布局，效率很高;
2. 寄生效应小，可增加开关频率，提高功率密度;
3. 采用紧凑的单芯片解决方案，简化了设计。
04 st mastergan引领氮化镓充电技术新浪潮
针对acf/半桥等应用，st引领氮化镓充电技术新浪潮，推出了全球第一款半桥架构，并且集成驱动的氮化镓芯片——mastergan，推动电源性能全面超越传统硅基晶体管方案。
mastergan平台首发的五款产品现已全部实现大规模量产，分别是上下管非对称半桥结构的mastergan 2和3，非常适合用于有源钳位反激拓扑。上下管为对称半桥结构的mastergan1/4/5，rdson从150 mω至450 mω不等，最大可支持400w应用，通常用于llc和acf拓扑。全部五款产品都是pin to pin兼容，可以轻松替换。
05 基于st-one和mastergan2的65w usb-pd快充解决方案
st-one+mastergan方案使用了平面变压器的65w pd电源demo板，关键器件包括主控制器st-one，原边开关管mastergan2和副边100v的同步整流管stl90n10f7。该电源支持90-264v的全电压输入，5-20v输出，最大输出功率65w，满足欧盟和美国最新的能效要求。借助st-one和mastergan2两颗高集成度的芯片，实现了大于30w/inch3的功率密度，空间布局非常宽松。
▲demo板主电路部分，pcb布局简洁，电源内部空间开阔，功率密度还可进一步提升。
mastergan2是一颗耐压650v，下管导通阻抗150mω，上管导通阻抗225mω的氮化镓芯片，内部集成了丰富的保护，包括上下管的互锁功能，这在半桥架构中非常有用，可以有效避免上下管直通造成的失效。同时，3.3-15v的pwm输入扩展范围，可轻松支持数字控制方案。st-one同样也支持多工作模式，根据不同的输入和负载条件，acf拓扑会工作在不同模式。从满载到轻载分别工作在正常模式，跳谷底模式，以及间歇工作模式，有助于提高轻载效率。
st-one+ mastergan是适用于高功率密度usb-pd充电器的理想解决方案，可以将充电器的尺寸减少4倍，相当于减少200万吨的物料浪费，同时效率高达94%，节省的能源相当于三座核电站的年发电量!
▲更多采用mastergan的电源解决方案供参考，具体产品资料和评估板可在意法半导体官网获取。
浪涌保护器的前端防线：SCB后备保护器
Python怎么使用漫威库
为什么蓝牙产品要申请BQB认证？
供应链管理的发展受技术制约
光纤传输设备的类型
意法半导体如何打造高功率密度USB-PD充电器
Razer将于10月10日发布旗下第二款手机
国产DSP芯片厂商苏州洪芯完成千万级Pre-A轮融资
【资料干货】入门IC设计，资深芯片设计工程师带你起飞（领IC设计资料）
处理器电源管理主要实现方式是什么？
电子控制燃油喷射系统的原理与断油控制的方式介绍
物联网网关在工业行业的应用与优势
4种方法恢复console口密码
趋势科技在SHAREit中发现了许多主要漏洞
iOS10.3惊喜不断漏洞也惊人，iOS11曝光革命性新特性！前有狼后有虎，iOS10.2越狱该何时发布呢？
雷军对生态链企业的期待,小米航母舰队成形
知道iPhone XS Max的成本后你还会买么？
Parametric 系列 Pyramid 探针卡的主要特征
肌肤清洁黑科技，洁面仪哪种好用
唯斯特姆垃圾处理器，一键扫清厨余垃圾烦恼
充电器的功率越来越大让一个问题凸显出来：充电器的尺寸是否也会无限制增长?从便携性的角度出发，这显然是不可能的，于是就引出了另一个重要概念——功率密度。如何在现有的条件下提高产品的功率密度?
st专家为你详解st-one+ mastergan解决方案如何打造高功率密度usb-pd充电器。
01 usb pd适配器中使用的主要拓扑
根据市场上的主流产品，usb pd充电器可分成三个功率段：45w以下，45w到100w，100w以上。45w以下，qr反激拓扑是绝对的霸主。当功率上升到65w，有源钳位反激拓扑出现在了一些产品中;功率等级上升到100w以上，pfc+llc/acf/ahb都可以覆盖相关应用，根据具体的应用，充电口的数量来选择不同的拓扑。而不同的拓扑所能实现的功率密度也大不相同。qr反激拓扑的功率一般会在1w/cm3以内，而acf可以轻松达到1.5w/cm3。
▲不同功率段适配器中主要使用的拓扑
为什么传统反激和有源钳位反激在功率密度上会有如此显著的差距?主要是由二者不同的工作原理决定的。
传统反激的工作原理是：主开关管开通时，能量被存储在变压器中，并在主开关管关断后传递到副边，而变压器漏感产生的能量则被存储在c2中，最后通过r2消耗掉，产生了损耗。
而有源钳位反激在传统反激的基础上衍生出来的拓扑，最大的区别就在于通过对钳位管的控制，使之前存储在c2里的漏感能量被循环利用，并且实现了主开关管的zvs，从而降低了开关损耗。所以相较于传统反激，有源钳位反激可以实现更高的工作频率，更高的效率，更好的emi特性，以及更高的功率密度。但相比传统反激，它也有一些不足之处，例如钳位开关管控制需要高压隔离驱动，控制方式更为复杂。而传统反激由于没用到钳位开关管，所以成本更低，控制方式更简单。但是在需要更高功率密度的场合，acf显然是更好的选择。
02 st-one：适用于usb-pd充电器的全集成数字控制器
st最新acf控制器——st-one是适用于usb-pd充电器的全集成数字控制器。one代表这是一颗all in one的全集成芯片，包含了原边高压启动及x电容放电电路，有源钳位反激控制，副边同步整流控制以及大于6.4kv的专利的原副边隔离技术，同时还集成了usb-pd协议控制器，最大限度减少bom物料数量。st-one可支持单口或多口输出应用，可实现大于30w/inch3的功率密度，峰值效率超过95%，开关频率最高支持1mhz，并且已经通过usb-pd 3.1 pps认证，是设计轻量化，小型化，大功率适配器的理想选择。
▲st-one的典型应用电路，我们可以看到，外围电路非常的简洁，可以帮助研发人员大大的降低设计难度，缩短从设计到量产的时间，快速的推动产品上市。
acf拓扑根据控制方式的不同，又分为互补式和非互补式。互补式，也就是钳位开关和主开关互补导通，实现了zvs;而经典的非互补式，钳位开关管只在副边电流过零的时候开启一次，在实现zvs的同时减少了钳位开关的rms电流。而st的acf控制器采用了非互补式控制方式，但在经典的非互补式控制的基础上，钳位管分别在主开关管关断后和副边过零时开启两次，这样做的好处除了上面提到的两点，还可以降低钳位开关的反向导通损耗，特别适合氮化镓的应用场合。同时副边同步整流管的应力也非常小，所以可以选择耐压更低的同步整流管，在降低成本的同时也有助于emi。
▲互补式控制，经典非互补式控制以及st的非互补式控制各自的工作方式和特点
st-one内部有一颗32位cortex m0+内核以及64k flash，数字控制可以根据不同负载使转换器工作在不同的模式。例如工作在连续模式，连续模式下的原边电流有效值明显减小，在5v输出条件下测得1.5%的效率提升，同时还可以减小变压器的尺寸，提高功率密度。
好用的图形用户界面是st-one另一大优势。st-one gui是一种帮助开发人员设置和监控st-one行为的工具，从客户设计产品之初一直到生产阶段都可以使用。基本功能包括：闪存内容的读写，处理自动化工业烧录。特有的功能包括读取即时信息，实时了解电源工作状况，帮助更好的设计环路。
03 氮化镓在电源中的应用优势
这些年，以碳化硅，氮化镓为首的第三代半导体成为热门话题，新的应用层出不穷，大有取代传统硅基晶体管之势。目前市场上的氮化镓器件普遍有两种方案，一种是分立方案，类似传统的硅mos;另一种就是mastergan所采用的集成驱动方案。
目前市场上主流e-mode氮化镓晶体管的栅极开通门槛电压vgsth比较低，通常为1.2v左右，在关断时很容易因为高dv/dt和驱动回路里的杂散电感造成栅极振铃并导致管子误开通，在半桥结构拓扑里，会造成严重失效故障。而集成驱动方案由于其极低的杂散电感，可以很好解决这个问题。同时，电源回路里的杂散电感降低，还可以降低vds电压峰值，减小开关损耗，改善emi性能。
总而言之，氮化镓与驱动集成的方案优势包括：
1. 优化栅极驱动布局，效率很高;
2. 寄生效应小，可增加开关频率，提高功率密度;
3. 采用紧凑的单芯片解决方案，简化了设计。
04 st mastergan引领氮化镓充电技术新浪潮
针对acf/半桥等应用，st引领氮化镓充电技术新浪潮，推出了全球第一款半桥架构，并且集成驱动的氮化镓芯片——mastergan，推动电源性能全面超越传统硅基晶体管方案。
mastergan平台首发的五款产品现已全部实现大规模量产，分别是上下管非对称半桥结构的mastergan 2和3，非常适合用于有源钳位反激拓扑。上下管为对称半桥结构的mastergan1/4/5，rdson从150 mω至450 mω不等，最大可支持400w应用，通常用于llc和acf拓扑。全部五款产品都是pin to pin兼容，可以轻松替换。
05 基于st-one和mastergan2的65w usb-pd快充解决方案
st-one+mastergan方案使用了平面变压器的65w pd电源demo板，关键器件包括主控制器st-one，原边开关管mastergan2和副边100v的同步整流管stl90n10f7。该电源支持90-264v的全电压输入，5-20v输出，最大输出功率65w，满足欧盟和美国最新的能效要求。借助st-one和mastergan2两颗高集成度的芯片，实现了大于30w/inch3的功率密度，空间布局非常宽松。
▲demo板主电路部分，pcb布局简洁，电源内部空间开阔，功率密度还可进一步提升。
mastergan2是一颗耐压650v，下管导通阻抗150mω，上管导通阻抗225mω的氮化镓芯片，内部集成了丰富的保护，包括上下管的互锁功能，这在半桥架构中非常有用，可以有效避免上下管直通造成的失效。同时，3.3-15v的pwm输入扩展范围，可轻松支持数字控制方案。st-one同样也支持多工作模式，根据不同的输入和负载条件，acf拓扑会工作在不同模式。从满载到轻载分别工作在正常模式，跳谷底模式，以及间歇工作模式，有助于提高轻载效率。
st-one+ mastergan是适用于高功率密度usb-pd充电器的理想解决方案，可以将充电器的尺寸减少4倍，相当于减少200万吨的物料浪费，同时效率高达94%，节省的能源相当于三座核电站的年发电量!
▲更多采用mastergan的电源解决方案供参考，具体产品资料和评估板可在意法半导体官网获取。
浪涌保护器的前端防线：SCB后备保护器
Python怎么使用漫威库
为什么蓝牙产品要申请BQB认证？
供应链管理的发展受技术制约
光纤传输设备的类型
意法半导体如何打造高功率密度USB-PD充电器
Razer将于10月10日发布旗下第二款手机
国产DSP芯片厂商苏州洪芯完成千万级Pre-A轮融资
【资料干货】入门IC设计，资深芯片设计工程师带你起飞（领IC设计资料）
处理器电源管理主要实现方式是什么？
电子控制燃油喷射系统的原理与断油控制的方式介绍
物联网网关在工业行业的应用与优势
4种方法恢复console口密码
趋势科技在SHAREit中发现了许多主要漏洞
iOS10.3惊喜不断漏洞也惊人，iOS11曝光革命性新特性！前有狼后有虎，iOS10.2越狱该何时发布呢？
雷军对生态链企业的期待,小米航母舰队成形
知道iPhone XS Max的成本后你还会买么？
Parametric 系列 Pyramid 探针卡的主要特征
肌肤清洁黑科技，洁面仪哪种好用
唯斯特姆垃圾处理器，一键扫清厨余垃圾烦恼