PI推中功率应用解决方案，可减少40%电子元器件数量

（文/程文智）随着USB-IF协会在2021年5月正式推出USB PD3.1快充标准以来，PD快充技术迎来了一次重大的技术更新，新增了28V、36V、48V三个拓展输出电压，将最大输出功率提升至了240W，而且还在拓展功率范围中增加了三组可调电压档，分别为15~28V@5A、15~36V@5A、15~48V@5A。

功率的提升，让USB PD快充不仅仅用于手机、平板电脑和笔记本电脑等消费类产品，而且还能广泛应用于电动工具、两轮电动车、电视机、具有USB PD接口的显示器、打印机和投影仪、甚至是240W功耗的家电应用，以及物联网设备等应用场景。

中功率电源解决方案需要采用两级方案

特别是在近年来GaN器件的加持下，中大功率的应用需求和相关产品也逐渐多了起来。但是，根据欧洲电工标准化委员会于2019年9月1日颁布的电磁兼容指令EN IEC 61000-3-2: 2019标准对谐波电流分量的要求，当系统输入功率超过75W时，需要系统具有（功率因素校正）PFC前级电路，且多数的应用当中需要使用有源PFC电路。

当系统中额外增加了前级PFC开关电路，将会境地整个系统的效率，因此必须提高PFC前级的效率，以降低对系统效率的影响。以前，在做单级电源系统设计时，从AC到DC，如果实际效率能够达到95%以上，就可以采用无散热片的设计；但现在输出功率增大了，相应的输入功率也必然会增加，在有PFC的情况下，电源系统就是一个两级结构，即PFC+DCDC变换级。如果同样也想使用无散热片的设计方案，就需要保证整个系统的效率大于94%才行，分解来看，PFC的效率必须大于97%，DCDC变换级的效率也要大于97%。

也就是说，需要同时提升PFC和DCDC变换级的效率，这也就意味着需要使用更多数量的元器件，和更加棘手的散热处理。

PI的极简解决方案

为了应对两级电源系统带来的效率挑战，PI推出了两款新的产品：一是HiperPFS-5，内部集成了750V PoweiGaN氮化镓功率开关，效率高达98.3%，采用了InSOP-T28F SMD功率封装；二是节能型HiperLCS-2芯片组，该芯片组由HiperLCS2-HB（半桥功率器件）和HiperLCS2-SR（安全隔离器件）组成，其中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PI特有的FluxLink隔离控制链路，独立半桥功率器件则采用了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，两颗芯片均采用了InSOP-24封装形式。

可以看得出来，PI的中功率电源解决方案采用的是PFC+LLC架构两级解决方案，“LLC工作时其功率开关管半桥以谐振方式工作，两个MOS管都能以零电压模式开关（ZVS），可以将开通损耗减小到零，即器件两端电压为零时才开始开通开关管，电流才开始上升。这种工作方式中开通损耗的降低，就可以把两个功率开关管封在一个IC中，仅利用PCB进行散热。”

次级控制器则跨接在二次电源的初级和次级之间，通过FluxLink将次级的反馈信号传送给功率变换器件。“这两颗芯片一定要搭配工作，才能保证初级半桥开关管和次级输出同步整流管的开关时序最优化。”他强调。

也就是说，PI的这个中功率电源解决方案包括了两款IC，三颗芯片，一颗用来做PFC；另两颗用来实现LLC架构。阎金光对媒体表示，采用这两款芯片组合的解决方案，可以让两级电路中的每一级功率变换都大于98%，并且元器件的数量可以减少40%左右，空载功耗可以达到40mW。也就是说，即便是两级变换电路，也能采用无散热器设计方案。

接下来，阎金光还详细解释了这两款芯片的独特之处。

HiperPFS-5：元件数量极少的有源PFC

根据阎金光的介绍，HiperPFS-5将PI特有的PowiGaN开关与准谐振（QR）、变频非连续导通模式（DCM）升压PFC拓扑结构相结合，在不同输出负载、输入电压和工频周期内对开关频率进行调整。QR模式的DCM控制可减低开关损耗并允许使用低成本的升压二极管。

相较于传统的临界导通模式(CRM)升压PFC电路，变频引擎可将升压电感尺寸减小50%以上。凭借低开关损耗和导通损耗（PowiGaN开关进一步增强了这一优势）以及无损耗电流检测，HiperPFS-5 IC可在整个负载范围内提供恒定的高效率，效率高达98.3%。HiperPFS-5 IC在满载时可提供高于0.98的功率因数(PF)。在轻载下，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。

HiperPFS-5还具有以下优势：在世界各地的许多地方，电网可能非常不稳定，经常导致电源元件出现过电压损坏。由于750V PowiGaN开关的加持，HiperPFS-5 IC可以在高达305VAC的输入电压下保持高功率因数，并且可在输入电压骤升至460VAC期间连续工作。

另一个特点是用自供电，可节省外部供电电路。可使用后面的DCDC或另一个绕组给IC进行供电。在PFC电路中，市场上大多数方案使用充电泵，有三、四个元件。PI的方案可以实现漏极自供电，在内部就可以为控制器供电，省掉了一些元件，方案更加简洁。

此外，HiperPFS-5 IC还集成了Power Integrations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，而且所有这些都集成在一个超薄的InSOP-T28F SMD功率封装当中，芯片高度只有1.9mm。

封装中的裸焊盘电位为开关管的源极，在提供有效散热的同时可降低EMI滤波方面的成本。数字式输入电压峰值检测可确保提供可靠的性能，即使在不间断电源(UPS)或发电机供电所产生的电压出现畸变的情况下仍能保持稳定。

HiperLCS-2芯片组：提高LLC变换器效率并可减少40%的元件数

PI一直以来都比较擅长系统整合，将整个系统方案中的器件数量降低下来，这次也不例外，通过这两款集成式的新品，大幅降低电源系统所需要的元件数量，从而降低整体系统的成本。

阎金光指出，HiperLCS-2芯片组可极大简化LLC谐振功率变换器的设计和生产，与分立方案设计相比，这种高级程度的高效架构无需使用散热片，并且可以减少高达40%的元件数量。

由于LLC拓扑架构能够在全负载范围内实现软开关，降低开关损耗，满足大功率、高功率密度的要求，因此一般中大功率电源中，DCDC变换级一般都会采用LLC拓扑架构，PI本次的新品也采用了该拓扑。

LLC工作的一个重要特性是在完全空载时以打嗝模式工作，这种方式会造成输出纹波的增加，甚至是电压失调。PI的控制引擎中专门对打嗝模式做了优化，三种打嗝模式可以保证即使在打嗝模式工作期间，输出电压仍然能够维持在输出稳压范围。而负载发生0-100%的跳变，仍然可以维持输出电压的稳定。

据阎金光介绍，PI集成的芯片组有两个IC器件：HiperLCS2-HB （半桥器件）及HiperLCS2-SR（隔离控制器件）。其中采用的FluxLink反馈速度非常快，利于满足动态负载变化剧烈的应用需求。FluxLink还可以将次级故障情况反馈至半桥功率器件，确保故障发生期间功率器件的安全可靠。

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，可以满足全球最严格的空载和待机效率标准，比如PC应用钛金（80 PLUS Titanium）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。

此外，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。

阎金光还特别指出，对于中功率应用，保护电路必须周全，否则会出现一些灾难性故障。由于LLC是变频操作，在205W 90K中心频率，24V/8.5A输出的效率可达98%左右。满载时，小于5W的损耗可以使用PCB散热；在负载比较轻时和重载时，高效的效率曲线比较恒定。

结语

芯片组包括两套器件：HiperLCS2-HB（功率器件）和HiperLCS2-SR（安全隔离器件）。安全隔离器件只有一个型号，可根据不同频率选择不同版本，型号都是LSR2000C。根据不同输出功率范围，功率器件有三个选择：LCS7260C、LCS7262C和LCS7265C，内部集成600V FREDFET，80W到220W连续输出功率。取决于散热条件，最大功率为270W，峰值功功率可达375W。

当然，HiperPFS-5除了可以与HiperLCS-2芯片组搭配使用外，也可以与InnoSwitch3组合使用，主要还是看具体的应用需求和成本要求。