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优化中功率应用设计的两款高效IC解决方案

admin
2022-03-28
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标签:白色家电

日前,Power Integrations(PI)推出采用组合芯片实现的中功率应用高效电源解决方案。一款产品是适用于功率因数校正(PFC)应用的HiperPFS™-5,另一款是适合谐振式LLC变换器应用的HiperLCS™-2芯片组,两款产品组合应用或搭配InnoSwitch3使用,可以实现各种应用的优化设计。

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集成氮化镓开关的HiperPFS™-5

HiperPFS™-5系列功率因数校正(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,并可实现优于0.98的功率因数。HiperPFS-5 IC能够为高功率USB PD适配器、电视机、游戏机、PC一体机和家电应用电源提供紧凑、高效的功率因数校正电路。

据PI资深技术培训经理阎金光介绍,之所以采用氮化镓开关,是因为氮化镓开关比传统硅器件的导通电阻低,开关损耗也更小,效率更高。

采用PowiGaN可以让电源尺寸像信用卡大小,InnoSwitch4中集成了PowiGaN氮化镓开关,还利用ClampZero实现有源钳位反激电源设计。MinE-CAP也集成了氮化镓开关,主要用来降低输入大电解电容尺寸。因此,可以看到,使用全氮化镓开关的充电器,无论在效率方面还是在电源尺寸的缩小方面都会有极大的优势。

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他表示,现在,OEM原厂和非原厂供应商竞相为移动设备推出最快、最小、最通用的USB PD充电器,HiperPFS-5 IC可以为他们提供关键优势。PI将特有的PowiGaN开关与准谐振、变频非连续导通模式升压PFC拓扑结构相结合。如果将HiperPFS-5 IC与新推出的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。

HiperPFS-5的最大特色在于满足电源的功率因数校正要求,因为电源中使用的电容和电感会在输入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,还可能干扰连接到交流供电电源的其他设备。为此,许多国家和地区要求输入功率大于75W的电源需要使用功率因数校正电路来减少这种影响。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,有助于改善离线式应用供电的质量。

HiperPFS-5创新的准谐振非连续导通模式(DCM)控制技术在不同输出负载、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。这得益于其独特的开关导通时间和关断时间分别进行控制的控制方式。这种控制方式使得在90VAC低压输入时,开关在输入电压波峰处的开关频率最高,进而所需的升压电感感量大大减小。而传统的临界模式工作PFC,在低压输入波峰处的开关频率是最低的,这会造成电路所需的最大感量增大。使用HiperPFS-5的升压电感的感量与传统方式PFC相比可以减小60%以上。

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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%。该器件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和母线两端连接的其它去耦电容对功率因数的影响,保证即使在20%负载下也能保持0.96的高PF,且空载功耗仅为38mW。

750V PowiGaN开关还有其他优势,例如,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。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。

此外,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,所有这些都集成在一个超薄的InSOP™-T28F SMD功率封装当中。

在封装方面,焊接至PCB板面的裸焊盘为功率开关管的源极,其工作期间的电位为稳定的固定电位(地电位)。这种封装方式既可以提供有效散热,又可以降低EMI滤波方面的成本。另外,数字式输入电压峰值检测可确保IC对输入电压波形的跟踪更加精确可靠,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工作。

LLC谐振控制及同步整流HiperLCS™-2芯片组

新推出的HiperLCS-2芯片组是采用LLC谐振控制及同步整流的方案。阎金光解释说,第一代HiperLCS产品没有同步整流,为单芯片方案。现在采用了两个芯片以后,我们将控制芯片跨接在LLC变换的初级和次级之间。利用高带宽的FluxLink通讯,将初级功率开关管和次级同步整流管的开关时序充分优化,进而实现效率最大化。LLC这种拓扑往往应用于更高的输出功率应用。尤其在输出电流比较大的情况下,同步整流的使用可进一步提升LLC变换器的转换效率。

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HiperLCS2芯片组的半桥功率器件当中集成了600V耐压的FREDFET。对于前级PFC提供的400V母线供电输出,可以保证大约20%的裕量,这样电源就更加可靠。根据不同应用需求,LLC谐振变换的中心频率可以通过外部电阻来设定,LLC本身是一个工作频率随负载和输入电压变化而不停变化的工作方式,因而其工作频率变化的范围往往较宽。

HiperLCS-2内置的保护功能可以防止驱动信号同时开通,还可以实现过流或输出短路、过功率保护,而功率开关管的硬开关也会被芯片及时检测到,进而避免硬开关期间的损耗增大使器件损坏。

组合方案适用于更多应用

将HiperPFS-5与HiperLCS-2芯片组或InnoSwitch组合使用,就能够适用于多种不同应用。通常,单级传统反激电源的功率只能到65W,功率继续增加则需要满足功率因数要求。如果用HiperPFS-5加上HiperLCS-2,相较于单级方案,对于功率较小的应用,效率肯定不会比单级架构高。但在功率达到200W以上时,单级方案已经无法继续维持高效率工作。所以,针对不同的应用,在输出功率比较小的应用中,可以用HiperPFS-5加一个反激电源InnoSwitch3或者InnoSwitch4;而在功率比较高的应用中,第二级采用HiperLCS-2实现的LLC变换级。这种组合方案的效率仍然可达95%以上。

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上述组合应用非常广泛,包括大多数中功率的家电应用,如电视机、USB接口显示器、游戏机、电动自行车或打印机、投影仪、PC机主电源等。

总之,PI新推出的两款产品是一个两级变换的方案,第一级是功率因数校正,第二级是DC-DC变换。第二级变换采用LLC拓扑,也就是LLC谐振式电源。新产品用内部集成750V PowiGaN™ 氮化镓开关的HiperPFS™-5功率因数校正(PFC)IC作为电源第一级,第二级是效率非常高的HiperLCS™,利用谐振式软开关操作,总输出功率可以达到270W,以一流的性能、极高的效率及极低的空载功耗覆盖中等功率范围应用。

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