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PI中功率应用高效解决方案如何解决电源芯片关键设计难题?

《名企发布会动态》
2022-03-24 13:07 来源:PI 编辑:邢

3月20日-24日,由IEEE产业应用学会(IAS)、电力电子学会(PELS),美国电源制造商协会(PSMA)联合主办的APEC 2022国际电力电子应用展览会于美国德克萨斯州休斯顿举行。Power Integrations(以下简称PI)同期举行主题为“电源芯片的中功率应用高效解决方案”的新品发布会,展示其包括HiperPFS-5及HiperLCS-2芯片组在内的适用于270W应用的高效解决方案。

自USB PD3.1快充标准发布之后,充电功率从原有的100W提升至240W,并支持最大48V、5A的电压电流输出。随着功率的增加,维持系统的高效率面临着挑战。因为大输入功率会有功率因数校正的要求,也就是当输入功率超过75W时,我们会在电源的前级加一个功率因数校正(PFC)电路,使得交流输入端的电流的相位完全跟踪电压。而且额外增加的前级PFC开关电路会降低整个系统的效率,所以必须同时提高PFC前级和后级功率变换器的效率。为了应对这样的两级电源高效率的挑战,PI新推出两款产品——HiperPFS-5 IC及HiperLCS-2芯片组。

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HiperPFS-5 IC: 基于PowiGaN的PFC前级

PI此次推出的第一款新产品是HiperPFS-5系列功率因数校正IC,这是HiperPFS系列产品的第五代。它在内部集成了一个750V PowiGaN氮化镓开关,效率高达98.3%,无需散热片,可提供高达240W的输出功率,并可实现优于0.98的功率因数。

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HiperPFS-5 IC采用可变频率、准谐振(QR)、非连续导通模式(DCM)控制技术以支持在不同输出负载、输入电压和工频周期内对开关频率进行调整。PI资深技术培训经理阎金光介绍说:“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,升压电感感量减小多达两倍以上。凭借低开关损耗、导通损耗以及无损耗电流检测,HiperPFS-5 IC的频率滑动技术可支持在整个负载范围维持高效工作,最高效率可达98%以上。同时还能减低EMI,利于减少元件数目。”

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HiperPFS-5 IC使用750V PowiGaN开关可将输出功率扩展至240W,支持临界模式PFC所惯常使用的功率范围,可避免由于电网不稳定导致的电源元件出现过电压损坏。此外,HiperPFS-5 IC拥有小于40mW的空载功耗,它内置PI的X电容自动放电(CAPZero)功能,可使放电电阻功耗为零,满足EN 60950的安全要求,有多引脚连接,提供故障冗余。同时HiperPFS-5 IC提供PFC关断选项,可进一步提高系统轻载效率。HiperPFS-5 IC产品系列涵盖70-240W输出范围,使用高度仅为1.9mm的超薄InSOP-28F封装,非常适合高功率USB PD适配器(非自供电版本)、电视机、游戏机、PC一体机和家电应用。

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阎金光表示,一般的功率因数的输出都是一个高压的直流,它可能会达到400伏的高压。这个高压直流之后再经过后级的二次变换,变换成我们所需要的输出电压。而在这个第二级中就用到了PI新推出的第二款产品——HiperLCS-2芯片组。

HiperLCS-2芯片组: FREDFET谐振式(LLC)变换器+同步整流/ FluxLink隔离

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,结合了LLC和同步整流控制的芯片组不仅简化了设计,还具有超高的稳压精度。在0-100%负载跳变时输出可维持在小于±1%的稳压精度。HiperLCS-2芯片组可达到98.1%变换效率(满载效率),40mW空载功耗 (包括输入电压检测功耗),以及全面的IC层面及电路层面的保护功能。相较于分立方案设计,这种高集成度的架构无需使用散热片,可减少高达40%的元件数量。HiperLCS-2芯片组与HiperPFS-5 IC搭配使用可满足全球范围最严格的能效标准。

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据悉,HiperLCS-2芯片组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。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。FluxLink通讯方式及自动调整的死区时间控制避免了功率开关“共通”现象的出现。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HiperPFS IC实现的PFC功率级提供偏置供电。

而独立半桥功率器件采用PI独特的600V耐压FREDFET,同时集成上管和下管的驱动器。600V耐压的FREDFET开关的主要特点是它的体二极管具有非常好的恢复特性,可以减少与LLC拓扑相关的设计限制,使设计工程师能够快速、高效、灵活地完成设计。同时它还具有无损耗的电流检测与大于20%的降额余量。

HiperLCS-2芯片组分为HiperLCS2-HB(功率器件)与HiperLCS2-SR(安全隔离器件)。安全隔离器件只有一个型号LSR2000C,而功率器件有LCS7260C,LCS7262C,LCS7265C三种型号可供选择。这两款器件均采用PI超薄的InSOP-24封装。

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HiperPFS-5 IC与HiperLCS-2芯片组或InnoSwitch3的组合使用可以适用于多种不同应用的解决方案。阎金光进一步解释说:“我们可以采用不同的组合方案,也就是说,前级可以用PFC电路,后级可以用FLYBACK反激式电源,或者用LLC来做。如果输出功率比较小,那么可以用HiperPFS-5+反激拓扑的InnoSwitch3组合。如果输出功率比较大,那么推荐用HiperPFS-5+HiperLCS-2组合。采用组合的方案可以达到95%以上的效率,优于最佳的单级反激架构。”

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从应用上来看,组合方案的应用非常广泛。因为大多数的家电应用都在中功率的范围,比如电视机、具有USB PD接口的显示器、电动自行车及电动工具充电器、打印机及投影仪,还有PC机的主电源、游戏机、常用适配器、240W功耗的家电应用等。

从性能上来看,组合方案在中等功率应用中具有极高的效率及极低的空载功耗。HiperPFS-5 IC准谐振、变频的DCM工作PFC拥有0.98的PF及小于10% 的THD,可达到98% 的效率,小于40mW的空载功耗。不仅有极少元件数,低成本的外围升压元器件,还有稳定的余量满足EN61000-3-2的限值要求。HiperLCS-2芯片组也可以达到98%的效率及小于40mW的空载功耗(包括输入电压检测),并且它的设计简单,保护全面,输入电压、负载范围及动态负载期间输出均可维持在小于±1%的精度上。超高精度是PI相比于其他竞品的很大的优势,使用PI的产品即使在空载和满载跳变(动态负载)期间都可以保证输出电压的精度。

从设计支持工具上来看,PI的优势是有PI Expert™ 设计软件,提供可下载的DER-672: 220W - HiperPFS-5+HiperLCS-2芯片组参考设计,现在即可以申请样品。预计产品将在2022年第三季度全面量产。

PI正以强大的创新能力,稳定的技术研发能力和产品转化能力,为业界提供更多高能效、高精度、高可靠性且极具竞争力的高集成度电源解决方案,未来依旧值得我们期待。

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