以HiperPFS-5+HiperLCS-2為例，講解270W中功率電源的設(shè)計要點

近日，業(yè)內(nèi)知名電源芯片品牌Power Integrations發(fā)布了兩款產(chǎn)品，分別為內(nèi)部集成750V PowiGaN™氮化鎵開關(guān)的HiperPFS™-5系列功率因數(shù)校正(PFC)IC和節(jié)能型HiperLCS™-2芯片組，目標(biāo)是270W中功率電源市場，比如電視機、具有USB PD接口的顯示器、電動車及電動工具充電器、打印機及投影儀、常用適配器、PC主電源、游戲機、240W功耗的家電應(yīng)用等。

 
圖 | Power Integrations發(fā)布HiperPFS-5+HiperLCS-2芯片組

為什么要同時發(fā)布兩個系列的芯片呢？這是因為在標(biāo)準(zhǔn)EN61000-3-2中對諧波電流分量是有明確要求的，所以當(dāng)系統(tǒng)輸入功率超過75W時，需要功率因數(shù)校正(PFC)，來保障保證輸入電流跟輸入電壓同相位。但是額外增加前級PFC開關(guān)電路肯定會降低整個系統(tǒng)的效率，比如當(dāng)PFC前級效率是97%，后級功率變換器的效率也是97%，那么該電源系統(tǒng)的等效效率就是94%（97%*97%），這對電源系統(tǒng)設(shè)計者來說無疑是一大挑戰(zhàn)，因為效率低一定會帶來發(fā)熱，散熱問題就會變得嚴(yán)峻，所以必須要將兩級的效率都盡量做高。

基于以上考量，Power Integrations從解決方案的角度出發(fā)，同時發(fā)布前級PFC IC HiperPFS-5以及后級LLC芯片組合HiperLCS-2。接下來我們HiperPFS-5+HiperLCS-2為例來看一下中功率電源系統(tǒng)的構(gòu)成。

 
圖 | HiperPFS-5+HiperLCS-2可使200W以上的應(yīng)用維持高效率

從上圖中，我們可以看到橙色分界線左側(cè)的就是前級的功率因數(shù)校正模塊，橙色分界線右側(cè)的就是后級的功率變換模塊。

根據(jù)Power Integrations給到的數(shù)據(jù)顯示，HiperPFS™-5的效率高達(dá)98.3%，在無需散熱片的情況下可提供高達(dá)240W的輸出功率，并可實現(xiàn)優(yōu)于0.98的功率因數(shù)。

為何HiperPFS™-5的性能可以做到這么優(yōu)秀？這是要得益于其特有的PowiGaN開關(guān)與準(zhǔn)諧振、變頻非連續(xù)導(dǎo)通模式升壓PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的結(jié)合。怎么理解？

 
圖 | 低開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗PowiGaN開關(guān)

由于PowiGaN開關(guān)具有低開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的特性，再加上無損耗電流檢測，所以自身損耗可以做的非常低。

此外，HiperPFS-5創(chuàng)新的準(zhǔn)諧振(QR)非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)控制技術(shù)在不同輸出負(fù)載、輸入電壓和工頻周期內(nèi)對開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)整。QR模式的DCM控制可減低開關(guān)損耗并允許使用低成本的升壓二極管。相較于傳統(tǒng)的臨界導(dǎo)通模式(CRM)升壓PFC電路，變頻引擎可將升壓電感尺寸減小50%以上。

 
圖 | 變頻DCM在正弦波形的峰值處具有更高的頻率，因此升壓電感可減小50%以上
 
圖 | PowiGaN開關(guān)和變頻的QR DCM工作確保整個輸入及負(fù)載范圍內(nèi)的高效率

所以，HiperPFS-5 IC可以在整個負(fù)載范圍內(nèi)提供恒定的高效率，效率高達(dá)98.3%。HiperPFS-5 IC在滿載時可提供高于0.98的功率因數(shù)(PF)。在輕載下，創(chuàng)新的功率因數(shù)增強(PFE)功能可減小輸入濾波電容對功率因數(shù)的影響，即使在20%負(fù)載下也能保持0.96的高PF，且空載功耗僅為38mW。

值得一提的是，在世界各地的許多地方，電網(wǎng)可能非常不穩(wěn)定，經(jīng)常導(dǎo)致電源元件出現(xiàn)過電壓損壞。HiperPFS-5 IC可以在高達(dá)305VAC的輸入電壓下保持高功率因數(shù)，并且可在輸入電壓驟升至460VAC期間連續(xù)工作。

 
圖 | 前級功率因數(shù)校正電路解析

此外，HiperPFS-5 IC還集成了Power Integrations的X電容自動放電(CAPZero™)功能，包括滿足安規(guī)要求的冗余引腳設(shè)計以及啟動時高壓自供電功能 - 所有這些都集成在一個超薄的InSOP™-T28F SMD功率封裝當(dāng)中。

封裝中的裸焊盤電位為開關(guān)管的源極，在提供有效散熱的同時可降低EMI濾波方面的成本。數(shù)字式輸入電壓峰值檢測可確保提供可靠的性能，即使在不間斷電源(UPS)或發(fā)電機供電所產(chǎn)生的電壓出現(xiàn)畸變的情況下仍能保持穩(wěn)定。

分析完前級電路，我們來看一下后級功率變換器的部分。根據(jù)Power Integrations高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理Edward Ong的表述，“如果將HiperPFS-5 IC與我們新推出的HiperLCS™-2芯片組或InnoSwitch™4-CZ有源鉗位反激IC搭配使用，設(shè)計工程師可以輕松超越最嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn)，同時將物料清單縮減一半，設(shè)計出精致小巧的超快速充電器。”我們不難看出HiperLCS™-2芯片組對LLC諧振功率變換器的設(shè)計和生產(chǎn)的簡化作用。

 
圖 | HiperLCS™-2芯片組

話不多說，我們來看一下HiperLCS™-2芯片組的組成。該雙芯片解決方案由一個隔離器件和一個獨立半橋功率器件組成。其中的隔離器件內(nèi)部集成了高帶寬的LLC控制器、同步整流驅(qū)動器和FluxLink™隔離控制鏈路。而獨立半橋功率器件則采用Power Integrations獨特的600V FREDFET，具有無損耗的電流檢測，同時集成有上管和下管的驅(qū)動器。

 圖 | 后級功率變換模塊解析

Power Integrations資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan表示：“相比獨立控制器加分立MOSFET的諧振變換器的傳統(tǒng)方案（采用傳統(tǒng)的單開關(guān)拓?fù)浼軜?gòu)），Power Integrations將FREDFET和磁感耦合的FluxLink技術(shù)應(yīng)用于LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了與LLC拓?fù)湎嚓P(guān)的設(shè)計限制，不僅體積小，易生產(chǎn)，而且還能使效率達(dá)到98%，元件數(shù)量減少40%，并且無需使用占用空間的散熱片和可靠性不高的光耦。”

 
圖 | HiperLCS-2芯片組可實現(xiàn)98%以上的LLC變換級效率，且整個負(fù)載范圍維持恒定

值得一提的是，基于HiperLCS-2芯片組的電源設(shè)計可在400VDC輸入下實現(xiàn)低于50mW的空載輸入功率，并提供持續(xù)的高精度輸出，輕松符合全球最嚴(yán)格的空載和待機效率標(biāo)準(zhǔn)。由于HiperLCS-2器件可在整個負(fù)載范圍內(nèi)維持恒定的高效率性能，自身功耗非常低，因此在220W連續(xù)輸出功率、170%峰值功率能力的適配器設(shè)計當(dāng)中，只需要使用FR4的PCB板直接進(jìn)行散熱即可，不需要額外增加散熱模塊，既節(jié)省了系統(tǒng)成本，又可縮小電源整體體積，從而適應(yīng)應(yīng)用生態(tài)中的小型化趨勢。

對于芯片本身的供電問題，所有HiperLCS-2系列器件都具有自供電啟動功能，同時還能夠為使用HiperPFS™IC實現(xiàn)的PFC功率級提供啟動偏置供電。次級側(cè)檢測的方式可保證在不同輸入電壓下、整個負(fù)載范圍內(nèi)以及大批量生產(chǎn)時具有小于1%的調(diào)整精度。相較于傳統(tǒng)的光耦，使用Power Integrations的FluxLink技術(shù)進(jìn)行安全隔離，其高速的數(shù)字反饋控制可提供更快的動態(tài)響應(yīng)特性以及極佳的長期可靠性。

 
圖 | HiperPFS-5準(zhǔn)諧振PFC控制器IC型號
 
圖 | HiperLCS-2 IC型號

關(guān)于供貨，目前Power Integrations推出了參考設(shè)計DER-672，可供希望評估HiperPFS-5準(zhǔn)諧振PFC控制器IC和HiperLCS-2 IC的設(shè)計工程師下載。價格方面，HiperPFS-5基于10,000片的訂貨量單價為每片2.34美元，HiperLCS-2芯片組基于10,000片訂購量的單價為3.20美元。