【導讀】2022美國國際電力電子應用展覽會（APEC）期間，Power Integrations（PI）舉辦新品媒體溝通會，資深技術培訓經理閻金光介紹了使用組合芯片實現的中功率應用高效電源解決方案。他表示，新推出的兩款產品采用的是兩級架構，第一級是PFC（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? 氮化鎵開關的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，覆蓋中功率應用范圍。
那么，這一對新產品究竟有什么優勢，又怎么使用呢？我們往下看。
為什么使用氮化鎵開關？
近年來，氮化鎵開關非常火爆，PI的InnoSwitch3內部就集成了氮化鎵開關，在本次發布的新品中也使用了氮化鎵開關。閻金光說，氮化鎵開關導通電阻低，比硅器件效率更高，尤其是在低壓輸入、高電流時。在同樣功率下，輸入電壓越低，電流越大，導通損耗所占比例也越高。傳統硅器件的導通電阻比氮化鎵器件高，所以損耗更多。
在低壓時，使用PI的PowiGaN氮化鎵開關可以將產生的熱量降低40%。以65W適配器為例，比較硅開關和PowiGaN氮化鎵開關，低壓時熱量明顯減少，而在高壓情況下，PowiGaN也會將原來使用硅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氮化鎵開關，還可利用ClampZero實現有源鉗位反激電源設計。MinE-CAP也集成了氮化鎵開關，主要用來降低輸入大電解電容尺寸。目前PI三個產品系列中都使用了氮化鎵功率器件，以實現全氮化鎵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。
通常，人們希望交流電網兩端接的負載是純電阻，其特性在于輸入電壓和輸入電流的相位總是相同，但如果負載是電容性或電感性這樣的電抗性負載，電壓和電流就會有相位差。電壓乘以電流等于功率，如果電壓和電流相位不同，乘積就會變小，負載實際使用到的有功功率就非常低。過多的功率會在電源供電端傳輸線上損耗掉。所以，功率比較大時要求有功率因數校正功能，因為如果功率因數比較低，電網上看到的功率是100W，而實際只能用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%才能實現無散熱片設計，以保證電源的高功率密度和小體積。但現在輸出功率增大了，輸入功率也會增加。在有功率因數較正的情況下，電源內部是一個兩級結構，前面一個PFC前級，后面一個DC-DC變換級。保證效率大于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。
面臨挑戰是：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，內部集成了氮化鎵的功率開關管，每一級效率都保證大于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，經過后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，而不是氮化鎵開關，因為LLC應用頻率并不太高，加上母線高壓，電流比較小，也體現不出氮化鎵低導通電阻的優勢。而FREFET的體二極管良好的反向恢復特性，也利于優化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），可以將開通損耗減小到零，即器件兩端電壓為零時才開始開通開關管，電流才開始上升。這種工作方式中開通損耗的降低，就可以把兩個功率開關管封在一個IC中，僅利用PCB進行散熱。
第二個IC是次級控制器，跨接在二次電源初級和次級之間，通過FluxLink? 將次級的反饋信號傳送給功率變換器件。兩個芯片一定要搭配工作。這樣才能保證初級半橋開關管和次級輸出同步整流管的開關時序最優化。
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。由于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于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于不同的工作方式，可以是連續模式，也可以是臨界模式或非連續模式。對于功率較小的應用，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復問題。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復問題，不只是二極管成本會增加，反向恢復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于感量比較大，成本和體積都會增加。
這次發布的HiperPFS-5則工作于非連續工作模式，而在輸入電壓最低時工作與臨界模式。這種設計除了考慮到整體方案的成本以外，還考慮了電源本身所占用的空間，利于實現高功率密度小體積的設計。芯片獨有的功率管導通時間和關斷時間分別進行控制的方式，可以保證在90VAC低壓輸入時電壓波峰處的工作頻率最高，這樣可以大大縮小所需升壓電感的感量，進而縮小電感體積。而傳統的臨界工作控制方式往往在交流輸入電壓波峰處的開關頻率是最低的，這樣就不得不使用感量更高的升壓電感。
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于發電機或者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，抑制差模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，以保證交流掉電后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電容放電控制功能也集成進了HiperPFS-5。在交流掉電后內部的開關才會導通，將放電電阻接于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。可使用后面的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，在內部就可以為控制器供電，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氮化鎵開關，可耐受雷電沖擊，防止經PFC直接沖擊后面的DC-DC變換。在230V滿載時，效率可達98.3%，有助于降低溫升，實現整體系統效率。
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于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，以補償由于過高的輸入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獨特的控制引擎可以實現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；采用氮化鎵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，下面露出裸橫盤，有助于散熱，芯片高度只有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諧振控制及同步整流的方案。為什么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，現在將控制芯片跨接在LLC變換的初級和次級之間。利用FluxLink的高帶寬傳輸特性，實現快速精確的開關時序控制。將同步整流的優勢發揮到最大。同步整流在反激電源中用的比較多，主要是為了改善整流效率，它比二極管導通損耗更低，整體電源效率更高。由于LLC拓撲應用的功率范圍相對于反激更大，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具有恢復特性良好的體二極管，可以實現上下管更短的死區時間。反向恢復更好，設計中很多限制條件就可以放寬，更易于設計。傳統MOS管也有寄生二極管，但其反向恢復特性非常差。反向恢復特性比較差，除了造成損耗，還會使時序設計受到一些限制，影響整體電源效率。所以，只有這個指標很好，才不用嚴格考慮開關的時序設計，使效率達到最優。
FREDFET的600V耐壓可以滿足母線電壓要求。通常前面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，LLC本身是一個工作頻率隨負載和輸入電壓變化而不停變化的工作方式，因而其工作頻率范圍往往較寬。當然，頻率越高，無源元件體積就越小，但頻率太高開關損耗增加，功率器件的消耗也會增加。中心開關頻率具體設定多少，取決于具體的應用需求。HiperLCS-2可以通過外部元件將中心頻率設定于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，當后級DC-DC變換工作以后，則由后級變換的變壓器輔助繞組給前級的PFC控制器供電。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。PI的控制引擎中專門對打嗝模式做了優化，三種打嗝模式可以保證即使在打嗝模式工作期間，輸出電壓仍然能夠維持在輸出穩壓范圍。而負載發生0-100%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（隔離控制器件）。其中采用的FluxLink反饋速度非常快，利于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。
對于中功率應用，保護電路必須周全，否則會出現一些災難性故障。由于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，小于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）。安全隔離器件只有一個型號，可根據不同頻率選擇不同版本，型號都是LSR2000C。根據不同輸出功率范圍，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。取決于散熱條件，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，還可適用于多種不同應用。單級的傳統反激電源設計中功率只能到65W，功率增加則需要滿足功率因數要求。用HiperPFS-5加HiperLCS-2，對于功率較小的應用相較于單級方案，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，后面加一個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、游戲機、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應用只限于移動用電設備的尷尬局面，是不是給我們一種海闊天空的感覺呢？
來源：PSD功率系統設計
作者：劉洪
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