PI推出全新的氮化镓开关PFC IC＋HiperLCS－2芯片组，抢占中功率市场

近日，Power Integrations在美国国际电力电子应用展览会上推出了全新的适用于中功率应用的高效解决方案。该方案由两级架构组合，其中一级为PFC功率因数校正，另外一级用于DC/DC变换，以满足市场不断增长的更大功率快充电源应用需求。该方案效率可达95%以上，同时物料清单缩减一半。广泛应用于电视机、具有USB PD接口的显示器、电动车及电动工具充电器、打印机及投影仪、常用适配器、PC主电源、游戏机、以及240W功耗的家电应用。Power Integrations资深技术培训经理阎金光在媒体发布会上对该方案做了详细的解悉。此方案两级分别搭载了PI新推出的集成了750V氮化镓开关的高效准谐振PFC IC HiperPFS-5和HiperLCS-2芯片组，包含了一颗隔离控制芯片和一颗独立半桥功率芯片。同时阎经理向大家解释了为什么在HiperPFS-5中采用氮化镓，以及大功率电源所带来的挑战。

氮化镓－实现更高的效率，更小的设计尺寸

在新一代HiperPFS-5中PI继续采用了氮化镓开关，所带来的好处相比硅器件可实现更高的效率，同时缩减设计尺寸。这是因为氮化镓导通电阻低，从而效率会得到提升。阎经理解释，特别是在低压输入电流较高时，当功率相同，输入电压越低，电流就越大，导通损耗所占的比例就会更高，采用硅器件的导通电阻要高于氮化镓，因此损耗就会增多，效率较差。下图为65Ｗ适配器采用PI的PowiGaN与传统硅器件最优方案的效率对比。可以看到，在低压时使用PowiGaN将产生的热量降低40％，且在高压情况下，也会将原来用硅开关产生的热量降低25％，在一个有限的电源体积中，热量的降低十分有利于对温升的改善，阎经理表示。

以往PI的ClampZero、InnoSwitch4-CZ、MinE-CAP中都有用到氮化镓开关，三者完美的搭配可实现全套的氮化镓反激电源应用方案。

功率提升后维持系统的高效率所面临的挑战

USB PD 3.1标准将最大输出功率提升至240W,这就意味着市场上会出现大量高功率适配器。许多国家和地区要求，当系统输入功率超过75W时,需要对功率因数进行校正(PFC)，那为什么需要功率因数校正呢？如EN61000-3-2对谐波电流分量有所要求,需要系统具有PFC前级电路，其设计目的是使得交流输入端电流的相位完全跟踪电压。阎经理进一步解释，在电源设计中，通常希望负载端的输入阻抗是纯电阻，这样电压与电流相位保持相同，但当负载为电容性或电感性时，其电压和电流就会出现相位差。功率的计算是由电压乘电流所得，如此不同相位相乘，积就会变小，过多的功率就会在电源传输线上损耗掉，这便是在大功率输入的情况下要求做校正的原因。

另外，额外增加的前级PFC开关电路降低了整个系统的效率，这无疑是一项很大的挑战。原来的单级电源，效率大于94％以上，才可以做到无散热片的设计，从而保证高功率密度，和更小的电源体积。由于功率的增加，两级方案中不仅有PFC的校正，还有ＤＣ/ＤＣ的变换，系统的总效率是两者相乘所得，这其中的散热问题就不容忽视。因此在两级电路设计中，同时提高两级效率是至关重要的。为了应对两级设计所带来的效率上的挑战，PI推出了两款新产品，其一是HiperPFS-5，作用于功率因数校正，内部集成了一个氮化镓功率开关；其二是HiperLCS-2芯片组，由一个隔离器件和一个独立半桥功率器件组成用作ＤＣ/ＤＣ转换。

HiperPFS-5提供高达240W的输出功率，效率可实现98.3%

HiperPFS-5是一款功率因数校正(PFC)IC，内部集成了750V PowiGaN™氮化镓开关，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，满载时实现优于0.98的功率因数。轻载时，创新的功率因数增强(PFE)功能可减小输入滤波电容对功率因数的影响，即使在20%负载下也能保持0.96的高PF，且空载功耗仅为38mW。采用超薄InSOP^TM-28F封装，高度仅1.9mm。

HiperPFS-5采用准谐振（QR），非连续导通工作模式（DCM），但在低压输入时也可工作在临界工作模式（CRM）下。对于250Ｗ以内的应用，工程师通常会使用DCM或者CrM模式，好处在于电感量较小，升压二极管没有反向恢复的问题。而连续工作模式（CCM）则必须有反向恢复的要求，二极管成本较高。与市场上其它的CRM和CCM相比，HiperPFS-5的电感感量可降低50%以上。值得一提的是，此设计为PI独创，使用更小的电感，不仅节省了成本，还减小了空间的占用。

以上提到，PFC的目的是使交流输入端电流的相位完全跟踪电压，阎经理补充，这里就需要知道输入电流的波形，在HiperPFS-5中采用数字的电压采样，这个采样信号经内部的模数转换ADC处理，一旦波形中有轻微的失真，则会被ADC滤掉，如此便可保证PFC电路的正常工作，精确地跟踪输入电压的波形。这种失真的输入波形往往来自发电机或UPS不间断电源供电的情况。

芯片控制引擎具有功率因数增强功能（PFE），即在高压输入轻载情况下，控制引擎会对输入电流的波形进行微调，以补偿输入端 EMI 滤波电容及电路母线两端的去耦电容对功率因数及谐波电流造成的影响。这样可以保证即使在轻载情况下，功率因数也会高于 0.96。

HiperPFS-5 IC还集成了PI的X电容自动放电(CAPZero™)功能，包括满足安规要求的冗余引脚设计以及启动时高压自供电功能。HiperPFS-5内部的开关，可以在ＡＣ下电之后使两个电阻和Ｘ电容并联，实现放电。但正常在ＡＣ供电期间，这两个电阻并不会并联到x电容两端，这样就可以消除电阻上的功耗，来降低系统的空载功耗。

自供电功能设计在PI的许多产品中，可以节省外部供电的电路，通常在PFC电路中，市场大多数方案会使用充电泵，大约用到三至四个元件给VCC引脚供电，而PI方案可实现漏极的自供电，省去了多个元件，使整体方案更简洁。

PI标准的HiperPFS-5产品具有自供电的特性，内置启动电路实现自供电。非自供电版本适用于USB PD充电器的应用。

HiperLCSTM-2芯片组，LLC谐振控制及同步整流方案

PI新发布的HiperLCS™-2芯片组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。这两款器件均采用超薄的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%的元件数目。

其中，LLC控制根据应用不同，中心频率也可自行选择，但无论中心频率设为多少，半桥开关均以zvs软开关的方式进行工作。

HiperLCSTM-2同时支持给前级PFC供电。该芯片组内置了全面的保护功能，如内置防止“共通”机制、短路检测、过流 (半桥电路)、过温时锁存/非锁存关断保护、输入过欠压保护。

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PI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。

HiperLCS2可提供HiperLCS2HB(功率器件)，根据不同的功率输出范围有三个器件可选，以及HiperLCS2SR (安全隔离器件)，根据所选频率不同在其型号下支持不同版本。

另外， HiperPFS-5与InnoSwitch也可组合使用，来实现功率要求较小的应用。基于全新的两级架构HiperPFS-5 + HiperLCS-2 芯片组，PI的220Ｗ DER-672参考设计非常适合中等功率应用，可实现一流性能，极高的效率和极低的空载功耗，无需散热片。

HiperPFS-5+HiperLCS-2芯片组，二者搭配并用，系统满载效率可达到95% 以上，相比传统方案元器件数目可减少40%。新方案适应用200W以上电源应用，凭借PI全新PFC+LLC设计方案，工程师不仅可设计出供电视机、配有USB PD端口的适配器、PC一体机等小体积适配器及敞开式应用电源，还可以设计出供电动工具和电动自行车使用的小体积电池充电器。