（文/程文智）隨著USB-IF協(xié)會(huì)在2021年5月正式推出USB PD3.1快充標(biāo)準(zhǔn)以來，PD快充技術(shù)迎來了一次重大的技術(shù)更新，新增了28V、36V、48V三個(gè)拓展輸出電壓，將最大輸出功率提升至了240W，而且還在拓展功率范圍中增加了三組可調(diào)電壓檔，分別為15~28V@5A、15~36V@5A、15~48V@5A。

功率的提升，讓USB PD快充不僅僅用于手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等消費(fèi)類產(chǎn)品，而且還能廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具、兩輪電動(dòng)車、電視機(jī)、具有USB PD接口的顯示器、打印機(jī)和投影儀、甚至是240W功耗的家電應(yīng)用，以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等應(yīng)用場(chǎng)景。

中功率電源解決方案需要采用兩級(jí)方案

特別是在近年來GaN器件的加持下，中大功率的應(yīng)用需求和相關(guān)產(chǎn)品也逐漸多了起來。但是，根據(jù)歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)于2019年9月1日頒布的電磁兼容指令EN IEC 61000-3-2: 2019標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧波電流分量的要求，當(dāng)系統(tǒng)輸入功率超過75W時(shí)，需要系統(tǒng)具有（功率因素校正）PFC前級(jí)電路，且多數(shù)的應(yīng)用當(dāng)中需要使用有源PFC電路。

當(dāng)系統(tǒng)中額外增加了前級(jí)PFC開關(guān)電路，將會(huì)境地整個(gè)系統(tǒng)的效率，因此必須提高PFC前級(jí)的效率，以降低對(duì)系統(tǒng)效率的影響。以前，在做單級(jí)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，從AC到DC，如果實(shí)際效率能夠達(dá)到95%以上，就可以采用無散熱片的設(shè)計(jì)；但現(xiàn)在輸出功率增大了，相應(yīng)的輸入功率也必然會(huì)增加，在有PFC的情況下，電源系統(tǒng)就是一個(gè)兩級(jí)結(jié)構(gòu)，即PFC+DCDC變換級(jí)。如果同樣也想使用無散熱片的設(shè)計(jì)方案，就需要保證整個(gè)系統(tǒng)的效率大于94%才行，分解來看，PFC的效率必須大于97%，DCDC變換級(jí)的效率也要大于97%。

也就是說，需要同時(shí)提升PFC和DCDC變換級(jí)的效率，這也就意味著需要使用更多數(shù)量的元器件，和更加棘手的散熱處理。

PI的極簡(jiǎn)解決方案

為了應(yīng)對(duì)兩級(jí)電源系統(tǒng)帶來的效率挑戰(zhàn)，PI推出了兩款新的產(chǎn)品：一是HiperPFS-5，內(nèi)部集成了750V PoweiGaN氮化鎵功率開關(guān)，效率高達(dá)98.3%，采用了InSOP-T28F SMD功率封裝；二是節(jié)能型HiperLCS-2芯片組，該芯片組由HiperLCS2-HB（半橋功率器件）和HiperLCS2-SR（安全隔離器件）組成，其中隔離器件內(nèi)部集成了高帶寬的LLC控制器、同步整流驅(qū)動(dòng)器和PI特有的FluxLink隔離控制鏈路，獨(dú)立半橋功率器件則采用了PI獨(dú)特的600V FREDFET，具有無損耗的電流檢測(cè)，同時(shí)集成有上管和下管的驅(qū)動(dòng)器，兩顆芯片均采用了InSOP-24封裝形式。

可以看得出來，PI的中功率電源解決方案采用的是PFC+LLC架構(gòu)兩級(jí)解決方案，“LLC工作時(shí)其功率開關(guān)管半橋以諧振方式工作，兩個(gè)MOS管都能以零電壓模式開關(guān)（ZVS），可以將開通損耗減小到零，即器件兩端電壓為零時(shí)才開始開通開關(guān)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(gè)功率開關(guān)管封在一個(gè)IC中，僅利用PCB進(jìn)行散熱。”

次級(jí)控制器則跨接在二次電源的初級(jí)和次級(jí)之間，通過FluxLink將次級(jí)的反饋信號(hào)傳送給功率變換器件。“這兩顆芯片一定要搭配工作，才能保證初級(jí)半橋開關(guān)管和次級(jí)輸出同步整流管的開關(guān)時(shí)序最優(yōu)化?！彼麖?qiáng)調(diào)。

也就是說，PI的這個(gè)中功率電源解決方案包括了兩款I(lǐng)C，三顆芯片，一顆用來做PFC；另兩顆用來實(shí)現(xiàn)LLC架構(gòu)。閻金光對(duì)媒體表示，采用這兩款芯片組合的解決方案，可以讓兩級(jí)電路中的每一級(jí)功率變換都大于98%，并且元器件的數(shù)量可以減少40%左右，空載功耗可以達(dá)到40mW。也就是說，即便是兩級(jí)變換電路，也能采用無散熱器設(shè)計(jì)方案。

接下來，閻金光還詳細(xì)解釋了這兩款芯片的獨(dú)特之處。

HiperPFS-5：元件數(shù)量極少的有源PFC

根據(jù)閻金光的介紹，HiperPFS-5將PI特有的PowiGaN開關(guān)與準(zhǔn)諧振（QR）、變頻非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）升壓PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合，在不同輸出負(fù)載、輸入電壓和工頻周期內(nèi)對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)整。QR模式的DCM控制可減低開關(guān)損耗并允許使用低成本的升壓二極管。

相較于傳統(tǒng)的臨界導(dǎo)通模式(CRM)升壓PFC電路，變頻引擎可將升壓電感尺寸減小50%以上。憑借低開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗（PowiGaN開關(guān)進(jìn)一步增強(qiáng)了這一優(yōu)勢(shì)）以及無損耗電流檢測(cè)，HiperPFS-5 IC可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供恒定的高效率，效率高達(dá)98.3%。HiperPFS-5 IC在滿載時(shí)可提供高于0.98的功率因數(shù)(PF)。在輕載下，創(chuàng)新的功率因數(shù)增強(qiáng)(PFE)功能可減小輸入濾波電容對(duì)功率因數(shù)的影響，即使在20%負(fù)載下也能保持0.96的高PF，且空載功耗僅為38mW。

HiperPFS-5還具有以下優(yōu)勢(shì)：在世界各地的許多地方，電網(wǎng)可能非常不穩(wěn)定，經(jīng)常導(dǎo)致電源元件出現(xiàn)過電壓損壞。由于750V PowiGaN開關(guān)的加持，HiperPFS-5 IC可以在高達(dá)305VAC的輸入電壓下保持高功率因數(shù)，并且可在輸入電壓驟升至460VAC期間連續(xù)工作。

另一個(gè)特點(diǎn)是用自供電，可節(jié)省外部供電電路?？墒褂煤竺娴腄CDC或另一個(gè)繞組給IC進(jìn)行供電。在PFC電路中，市場(chǎng)上大多數(shù)方案使用充電泵，有三、四個(gè)元件。PI的方案可以實(shí)現(xiàn)漏極自供電，在內(nèi)部就可以為控制器供電，省掉了一些元件，方案更加簡(jiǎn)潔。

此外，HiperPFS-5 IC還集成了Power Integrations的X電容自動(dòng)放電(CAPZero)功能，包括滿足安規(guī)要求的冗余引腳設(shè)計(jì)以及啟動(dòng)時(shí)高壓自供電功能，而且所有這些都集成在一個(gè)超薄的InSOP-T28F SMD功率封裝當(dāng)中，芯片高度只有1.9mm。

封裝中的裸焊盤電位為開關(guān)管的源極，在提供有效散熱的同時(shí)可降低EMI濾波方面的成本。數(shù)字式輸入電壓峰值檢測(cè)可確保提供可靠的性能，即使在不間斷電源(UPS)或發(fā)電機(jī)供電所產(chǎn)生的電壓出現(xiàn)畸變的情況下仍能保持穩(wěn)定。

HiperLCS-2芯片組：提高LLC變換器效率并可減少40%的元件數(shù)

PI一直以來都比較擅長(zhǎng)系統(tǒng)整合，將整個(gè)系統(tǒng)方案中的器件數(shù)量降低下來，這次也不例外，通過這兩款集成式的新品，大幅降低電源系統(tǒng)所需要的元件數(shù)量，從而降低整體系統(tǒng)的成本。

閻金光指出，HiperLCS-2芯片組可極大簡(jiǎn)化LLC諧振功率變換器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，與分立方案設(shè)計(jì)相比，這種高級(jí)程度的高效架構(gòu)無需使用散熱片，并且可以減少高達(dá)40%的元件數(shù)量。

由于LLC拓?fù)浼軜?gòu)能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，降低開關(guān)損耗，滿足大功率、高功率密度的要求，因此一般中大功率電源中，DCDC變換級(jí)一般都會(huì)采用LLC拓?fù)浼軜?gòu)，PI本次的新品也采用了該拓?fù)洹?br />
LLC工作的一個(gè)重要特性是在完全空載時(shí)以打嗝模式工作，這種方式會(huì)造成輸出紋波的增加，甚至是電壓失調(diào)。PI的控制引擎中專門對(duì)打嗝模式做了優(yōu)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(wěn)壓范圍。而負(fù)載發(fā)生0-100%的跳變，仍然可以維持輸出電壓的穩(wěn)定。

據(jù)閻金光介紹，PI集成的芯片組有兩個(gè)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?？欤跐M足動(dòng)態(tài)負(fù)載變化劇烈的應(yīng)用需求。FluxLink還可以將次級(jí)故障情況反饋至半橋功率器件，確保故障發(fā)生期間功率器件的安全可靠。

基于HiperLCS-2芯片組的電源設(shè)計(jì)可在400VDC輸入下實(shí)現(xiàn)低于50mW的空載輸入功率，并提供持續(xù)的高精度輸出，可以滿足全球最嚴(yán)格的空載和待機(jī)效率標(biāo)準(zhǔn)，比如PC應(yīng)用鈦金（80 PLUS Titanium）標(biāo)準(zhǔn)。

HiperLCS-2器件可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)維持恒定的高效率性能，其極低的自身功耗只需要使用FR4的PCB板直接進(jìn)行散熱即可。在220W連續(xù)輸出功率、170%峰值功率能力的適配器設(shè)計(jì)當(dāng)中無需使用散熱片。

此外，所有HiperLCS-2系列器件都具有自供電啟動(dòng)功能，同時(shí)還能夠?yàn)槭褂迷摴镜腍iperPFS IC實(shí)現(xiàn)的PFC功率級(jí)提供啟動(dòng)偏置供電。次級(jí)側(cè)檢測(cè)的方式可保證在不同輸入電壓下、整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)以及大批量生產(chǎn)時(shí)具有小于1%的調(diào)整精度。相較于傳統(tǒng)的光耦，使用Power Integrations的FluxLink技術(shù)進(jìn)行安全隔離，其高速的數(shù)字反饋控制可提供更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及極佳的長(zhǎng)期可靠性。

閻金光還特別指出，對(duì)于中功率應(yīng)用，保護(hù)電路必須周全，否則會(huì)出現(xiàn)一些災(zāi)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(dá)98%左右。滿載時(shí)，小于5W的損耗可以使用PCB散熱；在負(fù)載比較輕時(shí)和重載時(shí)，高效的效率曲線比較恒定。

結(jié)語

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(gè)型號(hào)，可根據(jù)不同頻率選擇不同版本，型號(hào)都是LSR2000C。根據(jù)不同輸出功率范圍，功率器件有三個(gè)選擇：LCS7260C、LCS7262C和LCS7265C，內(nèi)部集成600V FREDFET，80W到220W連續(xù)輸出功率。取決于散熱條件，最大功率為270W，峰值功功率可達(dá)375W。

當(dāng)然，HiperPFS-5除了可以與HiperLCS-2芯片組搭配使用外，也可以與InnoSwitch3組合使用，主要還是看具體的應(yīng)用需求和成本要求。