【導讀】2022美國國際電力電子應用展覽會（APEC）期間
，Power Integrations（PI）jubanxinpinmeitigoutonghui，zishenjishupeixunjingliyanjinguangjieshaoleshiyongzuhexinpianshixiandezhonggonglvyingyonggaoxiaodianyuanjiejuefangan。tabiaoshi
，xintuichudeliangkuanchanpincaiyongdeshiliangjijiagou，diyijishiPFC（功率因素校正）；第二級是DC-DC變換。第二級變換采用LLC拓撲，也就是諧振式電源。

新產品用內部集成750V PowiGaN™ 氮化镓開關的HiperPFS™-5 PFC IC作為第一級；第二級是HiperLCS™，其效率非常高，諧振式軟開關操作總輸出功率可達270W
，覆蓋中功率應用範圍。

那麼，這一對新產品究竟有什麼優勢，又怎麼使用呢
？我們往下看。

為什麼使用氮化镓開關
？

近年來，氮化镓開關非常火爆，PI的InnoSwitch3內nei部bu就jiu集ji成cheng了le氮dan化hua镓jia開kai關guan，在zai本ben次ci發fa布bu的de新xin品pin中zhong也ye使shi用yong了le氮dan化hua镓jia開kai關guan。閻yan金jin光guang說shuo
，氮dan化hua镓jia開kai關guan導dao通tong電dian阻zu低di，比bi矽gui器qi件jian效xiao率lv更geng高gao，尤you其qi是shi在zai低di壓ya輸shu入ru、gaodianliushi。zaitongyanggonglvxia

，shurudianyayuedi，dianliuyueda，daotongsunhaosuozhanbiliyeyuegao。chuantongguiqijiandedaotongdianzubidanhuajiaqijiangao，suoyisunhaogengduo。

在低壓時

，使用PI的PowiGaN氮化镓開關可以將產生的熱量降低40%。以65W適配器為例，比較矽開關和PowiGaN氮化镓開關，低壓時熱量明顯減少
，而在高壓情況下，PowiGaN也會將原來使用矽開關產生的熱量降低25%
，效率從92%提升到94%左右。針對電源體積一般都很小的情況，如果能大幅度降低熱量，電源溫升改善將非常明顯。

采用PowiGaN可以將電源尺寸做到信用卡大小，InnoSwitch4中除了用到PowiGaN氮化镓開關，還可利用ClampZero實現有源鉗位反激電源設計。MinE-CAP也集成了氮化镓開關，主要用來降低輸入大電解電容尺寸。目前PI三個產品係列中都使用了氮化镓功率器件
，以實現全氮化镓AC-DC反激電源解決方案。

增加功率給高效率帶來哪些挑戰？

閻金光表示，隨著USB PD3.1規格的推出，適配器電源功率越來越大。當輸入功率超過75W時
，必須滿足功率因數要求。一般是在電源前級加一個PFC校正電路，使交流輸入端的電流相位完全跟蹤電壓。

通tong常chang，人ren們men希xi望wang交jiao流liu電dian網wang兩liang端duan接jie的de負fu載zai是shi純chun電dian阻zu，其qi特te性xing在zai於yu輸shu入ru電dian壓ya和he輸shu入ru電dian流liu的de相xiang位wei總zong是shi相xiang同tong，但dan如ru果guo負fu載zai是shi電dian容rong性xing或huo電dian感gan性xing這zhe樣yang的de電dian抗kang性xing負fu載zai，電dian壓ya和he電dian流liu就jiu會hui有you相xiang位wei差cha。電dian壓ya乘cheng以yi電dian流liu等deng於yu功gong率lv

，如ru果guo電dian壓ya和he電dian流liu相xiang位wei不bu同tong，乘cheng積ji就jiu會hui變bian小xiao，負fu載zai實shi際ji使shi用yong到dao的de有you功gong功gong率lv就jiu非fei常chang低di。過guo多duo的de功gong率lv會hui在zai電dian源yuan供gong電dian端duan傳chuan輸shu線xian上shang損sun耗hao掉diao。所suo以yi，功gong率lv比bi較jiao大da時shi要yao求qiu有you功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng功gong能neng
，因yin為wei如ru果guo功gong率lv因yin數shu比bi較jiao低di，電dian網wang上shang看kan到dao的de功gong率lv是shi100W，而實際隻能用80W。這時功率因數是0.8，所以有20W線上損耗也要付電費。

以前做單級電源無散熱片設計時，AC進來直接由電源變換出DC，實際效率達到95%cainengshixianwusanrepiansheji，yibaozhengdianyuandegaogonglvmiduhexiaotiji。danxianzaishuchugonglvzengdale，shurugonglvyehuizengjia。zaiyougonglvyinshujiaozhengdeqingkuangxia
，dianyuanneibushiyigeliangjijiegou
，qianmianyigePFC前級，後麵一個DC-DC變換級。保證效率大於94%才能實現無散熱片設計

，其中的元件數目會更多，兩級電源散熱也更加難以處理。

麵臨挑戰是：隨著功率增加需要有功率因數校正
，原來的單級方案必須用兩級來實現；而兩級效率又不能太低，否則總體效率會下降
，電源發熱嚴重。因此，一定要把兩級電源設計的前級PFC效率做高，同時讓DC-DC變換效率盡量高，才能保證整體散熱滿足溫升要求。

如何實現200W以上應用的高效率？

閻金光介紹說
，為了應對兩級電源效率的挑戰
，PI推出了兩款產品

，一款是HiperPFS-5，內部集成了氮化镓的功率開關管
，每一級效率都保證大於98%。其前級是功率因數校正，可保證輸入電流和輸入電壓同相。前級功率變換的輸出通常是一個高壓直流，在400V左右，經過後級二次變換成所需的輸出電壓。第二級用到了PI的第二款芯片組產品，其中一個芯片內部集成了LLC拓撲中的上管和下管
，采用的是600V耐壓的FREDFET MOS管
，而不是氮化镓開關
，因為LLC應用頻率並不太高，加上母線高壓，電流比較小，也體現不出氮化镓低導通電阻的優勢。而FREFET的體二極管良好的反向恢複特性，也利於優化LLC的性能。

LLC工作時其功率開關管半橋以諧振方式工作
，兩個MOS管都能以零電壓模式開關（ZVS），keyijiangkaitongsunhaojianxiaodaoling，jiqijianliangduandianyaweilingshicaikaishikaitongkaiguanguan，dianliucaikaishishangsheng。zhezhonggongzuofangshizhongkaitongsunhaodejiangdi，jiukeyibalianggegonglvkaiguanguanfengzaiyigeIC中，僅利用PCB進行散熱。

第二個IC是次級控製器，跨接在二次電源初級和次級之間，通過FluxLink™ 將(jiang)次(ci)級(ji)的(de)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)傳(chuan)送(song)給(gei)功(gong)率(lv)變(bian)換(huan)器(qi)件(jian)。兩(liang)個(ge)芯(xin)片(pian)一(yi)定(ding)要(yao)搭(da)配(pei)工(gong)作(zuo)。這(zhe)樣(yang)才(cai)能(neng)保(bao)證(zheng)初(chu)級(ji)半(ban)橋(qiao)開(kai)關(guan)管(guan)和(he)次(ci)級(ji)輸(shu)出(chu)同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu)管(guan)的(de)開(kai)關(guan)時(shi)序(xu)最(zui)優(you)化(hua)。

他解釋說，整體電源架構有三個芯片
，實際上是兩套IC，一個是功能因數校正
，另一個是LLC芯片組。由於已將很多消耗功率的功能都集成到IC內部

，總體空載功耗可以小於40mW，對一些適配器應用非常有幫助，可以在元件數目很少的情況下提升功率密度
，同時減少不必要的功耗，使待機功耗最低。

用極少元件實現有源PFC

兩級架構中的前級有源PFC以可變頻DCM（非連續導通模式）方式工作


；功率因數校正變換可以設計工作於不同的工作方式

，可以是連續模式，也可以是臨界模式或非連續模式。對於功率較小的應用
，如250W內，通常采用CRM（臨界模式）或DCM，因為電感量比較小
，輸出二極管沒有反向恢複問題。CCM（連續導通模式）雖然可以實現更高的效率
，但必須考慮升壓二極管的反向恢複問題
，不隻是二極管成本會增加，反向恢複期間發生的高頻振蕩對EMI也會有所影響，同時連續模式的升壓電感由於感量比較大
，成本和體積都會增加。

這次發布的HiperPFS-5zegongzuoyufeilianxugongzuomoshi
，erzaishurudianyazuidishigongzuoyulinjiemoshi。zhezhongshejichulekaolvdaozhengtifangandechengbenyiwai
，haikaolvledianyuanbenshensuozhanyongdekongjian，liyushixiangaogonglvmiduxiaotijidesheji。xinpianduyoudegonglvguandaotongshijianheguanduanshijianfenbiejinxingkongzhidefangshi，keyibaozhengzai90VACdiyashurushidianyabofengchudegongzuopinlvzuigao，zheyangkeyidadasuoxiaosuoxushengyadiangandeganliang
，jinersuoxiaodiangantiji。erchuantongdelinjiegongzuokongzhifangshiwangwangzaijiaoliushurudianyabofengchudekaiguanpinlvshizuidide，zheyangjiubudebushiyongganlianggenggaodeshengyadiangan。

如果要用輸入電流跟蹤輸入電壓，則必須知道輸入電壓波形，HiperPFS-5中采用數字的電壓采樣方式，即IC內部有ADC（模數轉換）


，這樣可以濾掉波形中存在的輕微失真。比如前端輸入電壓如果來自於發電機或者UPS電源，其輸入往往不會是理想的正弦波形。

X電容放電是防觸電的安規要求
，在DCM模式中，因為峰值電流很大，可能會有差模EMI分量比較高問題，抑製差模EMI的有效方式是采用X電容

，而過大的電容則需要相應的放電電阻
，以保證交流掉電後X電容能被短時放電。如果阻值較小的放電電阻始終跨接在交流輸入端之間，則電源工作時的待機或空載功耗表現就會變差。PI將以前的CapZero IC的X電容放電控製功能也集成進了HiperPFS-5。在交流掉電後內部的開關才會導通
，將放電電阻接於X電容兩端進行放電。電源正常工作期間

，放電電阻本身沒有功耗。

新品的另一個特點是用自供電
，可節省外部供電電路。可使用後麵的DC-DC或另一個繞組給IC進行供電。在PFC電路中
，市場上大多數方案使用充電泵
，有三、四個元件。PI的方案可以實現漏極自供電

，在內部就可以為控製器供電，省掉了一些元件，方案更加簡潔。

HiperPFS-5內部集成了一個750V耐壓PowiGaN氮化镓開關，可耐受雷電衝擊，防止經PFC直接衝擊後麵的DC-DC變換。在230V滿載時，效率可達98.3%，有助於降低溫升，實現整體係統效率。

另一個技術是功率因數增強（PFE）
，在高壓輸入和20%負載時仍可保證功率因數大於0.96。這種功能是在高壓輸入輕載情況下，芯片會自行調整輸入電流的波形，以補償由於過高的輸入X電容造成的波形畸變及功率因數變差。而經優化的準諧振（QR）模式則能夠改善開通損耗，尤其在輸入電壓比較高的情況下。

總之，HiperPFS-5獨特的控製引擎可以實現98%以上的效率，可變頻能夠保證輕載效率，準諧振方式可以保證降低高壓輸入時的開通損耗
；非連續模式可以用更小感量的升壓電感
，體積也會相應縮小；頻率滑動技術能夠保證重輕載效率都比較高，頻率變化還可以降低EMI；采用氮化镓開關輸出功率可達到240W

，涵蓋大部分中功率應用；超薄InSOP™-28F封裝
，下麵露出裸橫盤，有助於散熱，芯片高度隻有1.9mm。

怎樣確保變換效率最佳
？

新推出的HiperLCS-2芯片組是采用LLC諧振控製及同步整流的方案。為什麼這樣的結合可以確保變換效率最佳呢？

閻金光說，第一代的HiperLCS產品沒有同步整流，現在將控製芯片跨接在LLC變換的初級和次級之間。利用FluxLink的(de)高(gao)帶(dai)寬(kuan)傳(chuan)輸(shu)特(te)性(xing)，實(shi)現(xian)快(kuai)速(su)精(jing)確(que)的(de)開(kai)關(guan)時(shi)序(xu)控(kong)製(zhi)。將(jiang)同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu)的(de)優(you)勢(shi)發(fa)揮(hui)到(dao)最(zui)大(da)。同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu)在(zai)反(fan)激(ji)電(dian)源(yuan)中(zhong)用(yong)的(de)比(bi)較(jiao)多(duo)
，主(zhu)要(yao)是(shi)為(wei)了(le)改(gai)善(shan)整(zheng)流(liu)效(xiao)率(lv)

，它(ta)比(bi)二(er)極(ji)管(guan)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)更(geng)低(di)
，整(zheng)體(ti)電(dian)源(yuan)效(xiao)率(lv)更(geng)高(gao)。由(you)於(yu)LLC拓撲應用的功率範圍相對於反激更大

，輸出電流較高時，使用同步整流也成為進一步提高效率的關鍵。

初級側集成的兩個600V耐壓FREDFET具有恢複特性良好的體二極管，可以實現上下管更短的死區時間。反向恢複更好，設計中很多限製條件就可以放寬，更易於設計。傳統MOS管(guan)也(ye)有(you)寄(ji)生(sheng)二(er)極(ji)管(guan)
，但(dan)其(qi)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)特(te)性(xing)非(fei)常(chang)差(cha)。反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)特(te)性(xing)比(bi)較(jiao)差(cha)

，除(chu)了(le)造(zao)成(cheng)損(sun)耗(hao)，還(hai)會(hui)使(shi)時(shi)序(xu)設(she)計(ji)受(shou)到(dao)一(yi)些(xie)限(xian)製(zhi)
，影(ying)響(xiang)整(zheng)體(ti)電(dian)源(yuan)效(xiao)率(lv)。所(suo)以(yi)，隻(zhi)有(you)這(zhe)個(ge)指(zhi)標(biao)很(hen)好(hao)，才(cai)不(bu)用(yong)嚴(yan)格(ge)考(kao)慮(lv)開(kai)關(guan)的(de)時(shi)序(xu)設(she)計(ji)，使(shi)效(xiao)率(lv)達(da)到(dao)最(zui)優(you)。

FREDFET的600V耐壓可以滿足母線電壓要求。通常前麵PFC的輸出穩定在400V，這樣可以提供大約20%裕量
，讓電源更加可靠。根據不同應用需求
，LLC諧振變換的中心頻率可以通過外部設定來選擇，LLCbenshenshiyigegongzuopinlvsuifuzaiheshurudianyabianhuaerbutingbianhuadegongzuofangshi，yinerqigongzuopinlvfanweiwangwangjiaokuan。dangran，pinlvyuegao，wuyuanyuanjiantijijiuyuexiao，danpinlvtaigaokaiguansunhaozengjia，gonglvqijiandexiaohaoyehuizengjia。zhongxinkaiguanpinlvjutishedingduoshao，qujueyujutideyingyongxuqiu。HiperLCS-2可以通過外部元件將中心頻率設定於90kHz、120kHz、180kHz及240kHz。無論中心頻率是多少，半橋開關均是以ZVS軟開關的方式工作的。

外部偏置供電除了給LLC供電外，偏置供電繞組還可以給前級PFC供電。PFC剛剛啟動是自供電，當後級DC-DC變換工作以後，則由後級變換的變壓器輔助繞組給前級的PFC控製器供電。LLC的上下管跨在母線兩端，最怕的是兩個開關同時導通，會使母線短路，出現炸機。HiperLCS-2內置的保護功能可以防止驅動信號同時開通，還可以實現過流或輸出短路
、過功率保護，而功率開關管的硬開關也會被芯片及時檢測到，進而避免硬開關期間的損耗增大
，器件損壞。

組合使用滿足多種不同應用需求

在同步整流驅動的同時，HiperLCS2-SR器件可以通過FluxLink將輸出電壓電流信息傳輸到半橋中，以決定開關時序
，次級側檢測也能夠提升輸出電壓電流的精度。

LLC工作的一個重要特性是在完全空載時以打嗝模式工作，這種方式會造成輸出紋波的增加
，甚至是電壓失調。PIdekongzhiyinqingzhongzhuanmenduidagemoshizuoleyouhua，sanzhongdagemoshikeyibaozhengjishizaidagemoshigongzuoqijian

，shuchudianyarengrannenggouweichizaishuchuwenyafanwei。erfuzaifasheng0-100%的跳變
，仍然可以維持輸出電壓的穩定。

據閻金光介紹
，PI集成的芯片組有兩個IC器件：HiperLCS2-HB （半橋器件）及HiperLCS2-SR（隔離控製器件）。其中采用的FluxLink反饋速度非常快
，利於滿足動態負載變化劇烈的應用需求。FluxLink還可以將次級故障情況反饋至半橋功率器件，確保故障發生期間功率器件的安全可靠。

HiperLCS-2可為PFC前級提供偏置供電
，效率可達98.1%。內部集成的600V耐壓FREDFET可以滿足PC應用鈦金（80 PLUS Titanium）標準，包括輕載效率和輕載PFC要求。

對於中功率應用
，保護電路必須周全
，否則會出現一些災難性故障。由於LLC是變頻操作，在205W 90K中心頻率，24V/8.5A輸出的效率可達98%左右。滿載時
，小於5W的損耗可以使用PCB散熱；在負載比較輕時和重載時，高效的效率曲線比較恒定。

芯片組包括兩套器件：HiperLCS2-HB（功率器件）和HiperLCS2-SR（安全隔離器件）。安全隔離器件隻有一個型號，可根據不同頻率選擇不同版本，型號都是LSR2000C。根據不同輸出功率範圍
，功率器件有三個選擇：LCS7260C

、LCS7262C和LCS7265C，內部集成600V FREDFET，80W到220W連續輸出功率。取決於散熱條件，最大功率為270W，峰值功功率可達375W。

如果將HiperPFS-5與HiperLCS-2芯片組或InnoSwitch3組合使用
，還可適用於多種不同應用。單級的傳統反激電源設計中功率隻能到65W，功率增加則需要滿足功率因數要求。用HiperPFS-5加HiperLCS-2，對於功率較小的應用相較於單級方案，雖然效率稍低，但功率達達200W以上時
，單級方案已經無法繼續維持高效率工作。因此

，針對不同的應用，如果輸出功率比較小，可以用HiperPFS-5加一個反激電源InnoSwitch3；如果功率比較高，後麵加一個HiperLCS-2。采用組合方案仍然可達95%以上的效率。

上述組合應用非常廣泛，包括大多數中功率的家電應用，如電視機、USB接口顯示器、遊戲機

、電動自行車或打印機、投影儀、PC機主電源等。達到240W
、270W輸出功率，也改變了以往50、60W PD應用隻限於移動用電設備的尷尬局麵，是不是給我們一種海闊天空的感覺呢
？

來源：PSD功率係統設計

作者：劉洪

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