PI打造高效率供电方案的妙招

2022-03-25 17:16:24 来源: 李寿鹏

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最近几年，因为PD标准的推动和氮化镓器件的普及，市场上涌现出了越来越多高功率和小型化的是配合PD充电头。但正如Power Integrations资深技术培训经理阎金光在日前所说，当前主要使用反激式方案执行上述设计，而其实现前提是适配器的功率不要太高。一旦适配器的功率超过75W之后，我们就需要对整个方案的设计重新审视。

从阎金光的介绍我们得知，在适配器功率超过75W之后，为了规避可能带来的输入损耗，我们就需要使用一个两级方案：在前端要加入一个PFC，以实现减少传输损耗，提升效率的目的。而在后端的DCDC变换方面，同样也需要提升效率。

这正是PI近期推出的，内部集成750V PowiGaN氮化镓开关的HiperPFS-5系列功率因数校正(PFC)IC和HiperLCS-2芯片组所解决的问题。

图一：PI两个新IC在不同级的表现

氮化镓开关助力PFC IC

在介绍HiperPFS-5系列的时候，阎金光首先就我们为什么需要加入功率因素校正进行了一个解析。

所谓功率因素，据维基百科，这是交流电力系统中特有的物理量，是一负载所消耗的有效功率与其视在功率的比值，是0到1之间的无因次量。这是一个是用来衡量用电设备用电效率的参数，低功率因数代表低电力效能。为了提高用电设备功率因数，我们必须采取的一个技术，这就称为功率因数校正。

阎金光也指出，电源中使用的电容和电感会在电流和电压之间产生相位变化，从而导致输电线产生功率损耗，并可能干扰连接到交流电源的其他设备。因此，根据许多国家和地区要求，在输入功率大于75W的电源中，就需要使用功率因数校正(PFC)电路来减少这种影响。

但HiperPFS-5系列PFC IC则拥有多方面的优势，来帮助开发者克服在前级碰到的PFC问题。这首先就依赖于其所集成的750V PowiGaN氮化镓开关。资料显示，PowiGaN 是Power Integrations自行研发的氮化镓（GaN）技术。在PI高度集成的离线反激式开关IC中，PowiGaN开关替代初级侧的传统硅晶体管，从而降低开关损耗。

“如上图所示，相对于硅器件，氮化镓开关就能提供更高的效率。尤其是在低压时，因为电流较高，硅开关便会带来更高的导通损耗。这时候，氮化镓开关的优势表现的更加明显。”阎金光解释说。

除了氮化镓开关，如上图所示，PI在这个有源PFC还采用了可变频率的DCM（非连续导通模式）工作方式，和常用的CRM（临界模式）或者DCM相比，PI的这个可变频率DCM的电感感量可以降低50%以上。这样的设计不但降低了成本，还减少了电感的占板面积，帮助开发者实现高功率密度的小体积设计。

至于X电容放电，则是为了满足60950安全要求等需要而引入的。据阎金光所说，在DCM模式中，峰值电流很大，这就可能产生差模EMI分量比较高问题，引入了X电容则能有效地抑制差模EMI。值得一提的是，因为过大的电容需要相应的放电电阻以保证交流掉电后X电容能被短时放电。但如果阻值较小的放电电阻始终跨接在交流输入端之间，则电源在工作时的待机或空载功耗表现就会变差。

为了解决这个问题，PI为HiperPFS-5系列芯片集成了CapZero IC的X电容放电控制功能。在其支持下，内部的开关只有在交流掉电后才会导通，然后将放电电阻接于X电容两端进行放电。但在电源正常工作期间，放电电阻本身没有功耗。这就能完美解决上述挑战。

自供电的设计则能够节省外部供电，这就进一步节省了设计所需的元件。再加上PFE、准谐振开关和集成的电流检测等特性，这就让PI的这个方案的整个PFC前级所用的元件数低于25个。

在这些技术的支持下，PI表示，公司新推出的HiperPFS-5 IC可以实现高达98.3%的效率，并可以在无需散热片的情况下可提供高达240W的输出功率，同时还能实现优于0.98的功率因数。非常适合高功率USB PD适配器、电视机、游戏机、PC一体机和家电应用。

PI方面强调，虽然市面上有多种PFC解决方案，但采用PowiGaN技术和准谐振(QR)控制方案的HiperPFS-5 IC独树一帜，是改善离线式应用供电质量的优秀代表。

能确保转换效率的“芯”方案

在前面的介绍中我们谈到，因为整个方案的效率是由前端和后端效率决定的，这就是为什么我们在设计中要同样重视DCDC变换效率提升的原因。而PI这次推出的HiperLCS-2芯片组正能提供这样的保证。

据PI介绍，新推出的双芯片解决方案由一个隔离器件和一个独立半桥功率器件组成。如上图所示，安全隔离器件只有一个型号，其内部集成了高带宽的LLC控制器、同步整流驱动器和FluxLink隔离控制链路。功率器件则有三个选择，均采用了Power Integrations独特的600V FREDFET，具有无损耗的电流检测，同时集成有上管和下管的驱动器。而不同的功率器件和安全隔离器件根搭配，能获得不同的输出。

阎金光也指出，和没有同步整流的第一代产品不一样，PI在新一代的HiperLCS中将控制芯片跨接在LLC变换的初级和次级之间。同时利用Power Integrations的高速FluxLink反馈机制，减少了与LLC拓扑相关的设计限制，使设计工程师能够快速高效地完成高性能、宽工作范围和低元件数的设计。

至于集成的两个600V耐压FREDFET，则具有恢复特性良好的体二极管，可以实现上下管更短的死区时间。这就让反向恢复得更好，把设计中很多限制条件放宽，方便开发者设计。“通常前端PFC的输出稳定在400V，我们的FREDFET能满足600V的耐压要求，这样就意味着可以提供大约20%裕量，让电源更加可靠。”阎金光补充说。

PI方面进一步指出，基于HiperLCS-2芯片组的电源设计可在400VDC输入下实现低于50mW的空载输入功率，并提供持续的高精度输出，轻松符合全球最严格的空载和待机效率标准。HiperLCS-2器件可在整个负载范围内维持恒定的高效率性能，其极低的自身功耗只需要使用FR4的PCB板直接进行散热即可。在220W连续输出功率、170%峰值功率能力的适配器设计当中无需使用散热片。所有HiperLCS-2系列器件都具有自供电启动功能，同时还能够为使用该公司的HiperPFS IC实现的PFC功率级提供启动偏置供电。次级侧检测的方式可保证在不同输入电压下、整个负载范围内以及大批量生产时具有小于1%的调整精度。相较于传统的光耦，使用Power Integrations的FluxLink技术进行安全隔离，其高速的数字反馈控制可提供更快的动态响应特性以及极佳的长期可靠性。

据了解，这两款器件还采用了超薄的InSOP-24封装。相较于分立方案设计，这种高集成度的高效架构无需使用散热片，并且可减少高达40%的元件数量。

“如果将HiperPFS-5 IC与我们的HiperLCS 2芯片组或InnoSwitch 4-CZ有源钳位反激IC搭配使用，设计工程师可以轻松超越最严格的效率标准，同时将物料清单缩减一半，设计出精致小巧的超快速充电器。”Power Integrations高级产品营销经理Edward Ong强调。

责任编辑：sophie

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