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能效已经成为所有电子产品越来越关注的焦点之一,一方面这意味着可以节省更多的能源,减少碳排放;另外更高的能效意味着更小,更紧凑且更轻薄的电源系统,这可以使电子产品在成本,尺寸,易用性等方面不断进步。

对于电源来说,由于牵扯到诸多分立元件、变压器、功耗、散热器、EMI、布线、保护等等诸多元素,还要着重考虑SWaP-C,因此高集成度似乎成为了目前电源管理技术的唯一突破点。通过高集成度,设计人员可以极大减少设计周期,降低开发难度与系统成本。

Power Integrations(PI)是一家成立于1988年的电源管理芯片供应商,自成立之初就将Integration(集成)作为公司最大的产品竞争差异化,通过一步步将各类功率器件及其他与数字控制电路相结合,PI奠定了公司与众不同的创新基础。

比如PI针对第三代半导体所开发的PowiGaN氮化镓(GaN)MOSFET以及碳化硅(SiC)MOSFET,并没有推出分立的功率器件,而是通过SiP集成的方式,将氮化镓应用于包括手机快充、LED电视供电、MinE-CAP最小化电解电容IC、LED照明管理等多种应用领域,而SiC则也是集成应用于汽车的应急电源管理系统中。

因为作为第三代半导体这一新兴市场来说,很多人缺乏相关设计经验,再加上其特性尤其是开关频率与传统硅器件有很大差别。因此这种集成,简化了设计人员的开发门槛,使得PI的产品获得了市场越来越多的认可。

日前,PI推出了包括集成750V氮化镓开关的高效准谐振PFC芯片HiperPFS-5以及LLC芯片组HiperLCS-2。PI资深技术培训经理阎金光详细解读了这两个系列的产品,而通过这些新品,我们也可以看到PI是如何不断追求高集成度,简化设计以及高效率的。

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PI PFC+LLC典型应用框图

为氮化镓开辟新应用场景,PI推出集成的PFC控制器HiperPFS-5

集成750V PowiGaN氮化镓开关的HiperPFS-5系列功率因数校正(PFC)IC,效率高达98.3%,在无需散热片的情况下可提供高达240W的输出功率。HiperPFS-5 IC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。阎金光表示,2021年新的USB PD3.1标准,将最大输出功率由100W提升至240W,作为长期关注USB PD市场的PI来说,一直在全力支持USB协会的升级工作,这也是PI全新产品的主要驱动力。

为了提高电网电器有用功率,并减少对电网的干扰,无论是IEC-61000-3-2,还是CCC认证,都将PFC(功率因数校正)电路作为了必要认证指标。一般而言,对于75W以上的电源来说,都需要PFC电路。而随着社会不断追求更高能效,因而此前通常在400W以上的中高端功率电源才会出现的主动式PFC,正在越来越多的替代过去的被动式PFC。

尽管PFC相比较没有采用PFC的方案,实现了更高的功率利用。但额外增加的前级PFC,依然会牺牲一部分系统能效,而从系统角度出发,包括PFC和LLC的效率乘积,才是整体电源的效率。也正因此,例如80 Plus标准对于PFC的效率要求不断提升,正说明了提高PFC对系统效率具有极其重要的影响。

阎金光以PI的实际解决方案为例,在小于75W应用中采用反激式拓扑集成PowiGaN的InnoSwitch3,可以实现94%的转换效率,且无需散热片设计。而如果在PFC+LLC的高功率输出情况下,想要达到94%的效率,就必须同时至少实现97%的PFC和97%的LLC(97%*97%=94%),才可以无需散热器。(实际上PI的PFC和LLC解决方案都实现了最高98%的效率,且可实现40mW超低待机功耗)

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如图所示,HiperPFS-5创新性地将750V PowiGaN功率开关与控制器集成在一起,这几乎是PFC电路上首次实现这一种集成方式,其他供应商目前大多数依然采用了GaN FET与控制器分立的模式。此外,高集成了包括X电容放电、自供电、电流检测、数字输入峰值电压检测等功能,从而使PFC前级所有元件数低于25个,从而简化开发门槛。

HiperPFS-5可以实现0.98的功率因数校正,以及低于10%的THD。那么这么一款优异的产品,是如何实现的?阎金光进行了详细解读。

在高集成方面:

首先,是集成了PowiGaN功率开关,这也是PI此前在多种场景中已经成功导入的成熟技术。产品实现了230VAC满载时98.3%的效率,并且由于GaN耐压为750V,相比传统600V硅器件,支持更高的浪涌电压。同时由于GaN的RDSon更小,因此导通损耗更低。

其次,芯片内部集成有ADC,可以采集输入电压,从而滤除失真变形,并支持非正弦(比如UPS)的交流输入。

第三,X电容放电管理的集成,则源于PI CAPZero-3 X电容放电IC。X电容是跨接在交流电零线与火线之间的滤波电容,为了实现EN60950安规要求,需要X电容在AC掉电的一秒内完成放电,使电压下降到37V左右。X电容的放电回路主要由放电电阻进行能量吸收。由于DCM工作模式峰值电流较大,因此前级EMI滤波当中的X电容也会更大,放电能量也因此更大,这也意味着放电电阻回路的额外功率损耗也就越大。而通过电容放电管理功能,可以在交流上电时关闭放电回路,仅在交流电断开后自动放电,从而降低了系统功耗。同时,HiperPFS-5具有两组X电容放电管理引脚互为备份,增强了安规保证。

第四,芯片支持高压自供电技术,支持高压直接引入作为启动阶段的偏置电压,而无需额外的充电泵或绕阻。

第五,是增强的EMC,将电流检测电阻放到了芯片内部,因此抗干扰性也会更强。

在控制方面,PI也根据自身强大的专利组合,做了诸多优化:

首先,电源以可变频的DCM(非连续导通)的工作方式运行。一般而言,对于3/4百瓦以内的小功率应用,通常都会采用CrM(临界导通)或者DCM工作方式。相较于CCM,DCM或CrM的电感可以更小,从而实现更低成本以及更小空间。此外,PI独有的可变频率的DCM工作方式,还可以相比其他竞争对手的,进一步降低60%的电感感量。主要原因是因为其他厂商的DCM或CrM控制器,在正弦波峰处(Vac(min)(pk))具有最低的频率,而PI的可变频DCM控制模式,在正弦波峰处具有最高的频率,感量又与频率成反比,因此这种工作频率的差异造成了感量的差异。同时,在DCM模式下,输出二极管不存在强制换流需求,从而避开了反向恢复,因此对于二极管的反向恢复参数要求比CCM低得多,成本则可以更低,当然也可以选择PI的Qspeed具有最低的反向恢复电荷(Qrr)的600V二极管,可以替代目前高效率PFC中所采用的SiC二极管。

其次,PI的功率因数增强技术,可以使在轻负载(比如20%)的情况下,实现0.96的功率因数,具体原因是在轻负载电路由于X电容呈现容性时,通过内部补偿校正增强电路的电感特性,从而中和容性效果,使电路更趋近于电阻特性,实现轻载下更好的功率因数校正。

第三,采用了准谐振模式。由于GaN是高压输入,源漏极电压比较高,为了降低开通损耗,采用了准谐振波谷检测电路。

第四,是可变频率滑动技术,可以确保在整个负载范围内维持高效运作,并可降低EMI。

此外,该产品组合丰富,涵盖从77W至240W的多种选择,并且包含自供电与非自供电版本,用户可根据应用灵活配置。

而在封装上,和此前几代采用eSIP-16D垂直封装形式不同,新一代产品采用了InSOP-T28F封装,芯片底部有散热导盘,无需额外散热片。

LLC芯片组HiperLCS-2

与HiperPFS-5搭配的,是PI新推出的HiperLCS-2 LLC芯片组,相较PFC而言,LLC的产品更迭速度并不快,上一代HiplerLCS产品的推出还是在10年前。因此比起第一代产品,有了非常多的进步,也是为了搭配HiperPFS-5,实现更高的效率,从而轻松满足80plus钛金标准。HiperLCS-2芯片组包括了LLC控制器HiperLCS-2 HB以及HiperLCS-2 SR次级侧整流和控制器两颗产品。

HiperLCS-2芯片组相比于分立方案,可减少高达40%的元件数量,因此可极大简化LLC谐振功率变换器的设计和生产。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。其中的隔离器件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。而独立半桥功率器件则采用PI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。高集成度的高效架构无需使用散热片。

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HiperLCS

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HiperLCS-2

如上两图对比,第一代HiperLCS次级侧没有两个MOSFET实现同步整流,而HiperLCS-2支持同步整流,且相对于二极管,导通损耗更低,整体效率进一步提升。

集成600V耐压的FREDFET,此前曾在PI的电机驱动BridgeSwitch中广泛应用。FREDFET的全称为fast-recovery (或fast-reverse) epitaxial diode field-effect transistor,顾名思义,其最主要特点就是具有快速恢复特性体二极管的FET。体二极管的恢复特性,是开关应用中的一个重要问题,会导致功率损耗,从而降低系统效率。阎金光表示,如果反向恢复特性好,很多限制条件都会放宽,更加易于设计。

该270W LLC参考设计的中心工作频率为120KHz,阎金光表示,开关电源的工作频率并不是越高越好,尽管频率越高,电感等被动元件的尺寸可以更小,但是却会显著增加开关损耗,并且随着频率越高,变压器中导线的铜线的损耗也会因为趋肤效应而增加。也正因此,PI目前并没有用GaN FET替换FREDFET。实际上通过ZVS软开关,以及快速恢复FREDFET,已经可以显著降低开启功耗,并减少了死区时间。诚然选择GaN,无论是RDSon导通损耗,还是关闭损耗,或者减少死区时间方面抑或是缩小磁性元件方面都有着优势,但对于高母线电压、低电流、中低功率、低频操作的LLC应用而言,氮化镓所体现出来的优势并不明显,此外如果提高频率,则可能需要更换趋肤效应更低成本更高的变压器。只有对于更大功率的应用来说,在97%效率基础上继续提升的意义才更大。“并不是说LLC工作频率越高越好,一定要根据不同的电源体积,不同的散热条件,不同的功率等级对频率进行优化。”阎金光说道。

外置绕阻偏置供电除了可以给LLC供电之外,还可以给前级PFC供电。

而内置的多重保护机制,可简化设计并增强产品的可靠性。包括自动死区时间控制技术避免上下管同时导通,也包括过流保护、输出短路保护、过压/欠压保护等。

对于芯片组的另一颗器件,次级侧的同步整流驱动而言,集成了PI专利的隔离技术FluxLink,无需光耦即可实现次级侧检测的反馈,从而实现了快速动态响应以及更高的精度。此外,PI具有独特的控制策略,在空/轻载打嗝模式下,LLC也可以保证输出精度。“LLC空载时很容易出现输出电压漂高,纹波变差甚至出现音频噪音,PI提供了三种打嗝模式,从而优化了空载输出精度。”阎金光说道。

在封装上,HiperLCS-2同样由此前的eSIP垂直封装变成InSOP封装,散热及安装更为友好。其中初级侧也提供不同功率输出的组合,而次级侧整流也提供了不同的工作频率可选。

PI丰富的产品线拓展,不仅可以帮助开发者针对功率及效率约束选择更合适的产品,同时也可以有更多种的产品组合。比如HiperPFS-5既可以同HiperLCS-2结合,实现PFC+LLC最高240W输出,同时也可以和InnoSwitch反激开关结合,实现最高110W的输出。目前PI已针对PFC+LLC产品提供了针对电视和显示器应用的220W无散热片参考设计。

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可以比较一下PI参考方案(左)(DER-672 220W)与其他GaN供应商250W的PFC+LLC方案(右),可以看到IC数量可以大幅减少,从而简化PCB的布线及设计。

总结

PI新推出的PFC与LLC控制器,综合集成了PI此前已验证过的各种IP及拓扑控制优势,并且贴合市场需求,在输出功率方面紧密结合市场应用趋势,并在效率、EMI、成本、可靠性以及设计门槛方面进一步提升,从而不断发掘开关电源新的增长点。作为电源设计而言,“综合考量”是工程师最头疼的问题,通过高集成高性价比的IC,则可以显著缓解这种焦虑。

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