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        PI中功率應用高效解決方案如何解決電源芯片關鍵設計難題?

        《名企發布會動態》
        2022-03-24 13:07 來源:電源網原創 編輯:邢

        3月20日-24日,由IEEE產業應用學會(IAS)、電力電子學會(PELS),美國電源制造商協會(PSMA)聯合主辦的APEC 2022國際電力電子應用展覽會于美國德克薩斯州休斯頓舉行。Power Integrations(以下簡稱PI)同期舉行主題為“電源芯片的中功率應用高效解決方案”的新品發布會,展示其包括HiperPFS-5及HiperLCS-2芯片組在內的適用于270W應用的高效解決方案。

        自USB PD3.1快充標準發布之后,充電功率從原有的100W提升至240W,并支持最大48V、5A的電壓電流輸出。隨著功率的增加,維持系統的高效率面臨著挑戰。因為大輸入功率會有功率因數校正的要求,也就是當輸入功率超過75W時,我們會在電源的前級加一個功率因數校正(PFC)電路,使得交流輸入端的電流的相位完全跟蹤電壓。而且額外增加的前級PFC開關電路會降低整個系統的效率,所以必須同時提高PFC前級和后級功率變換器的效率。為了應對這樣的兩級電源高效率的挑戰,PI新推出兩款產品——HiperPFS-5 IC及HiperLCS-2芯片組。

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        HiperPFS-5 IC: 基于PowiGaN的PFC前級

        PI此次推出的第一款新產品是HiperPFS-5系列功率因數校正IC,這是HiperPFS系列產品的第五代。它在內部集成了一個750V PowiGaN氮化鎵開關,效率高達98.3%,無需散熱片,可提供高達240W的輸出功率,并可實現優于0.98的功率因數。

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        HiperPFS-5 IC采用可變頻率、準諧振(QR)、非連續導通模式(DCM)控制技術以支持在不同輸出負載、輸入電壓和工頻周期內對開關頻率進行調整。PI資深技術培訓經理閻金光介紹說:“相較于傳統的臨界導通模式(CRM)升壓PFC電路,變頻引擎可將升壓電感尺寸減小50%以上,升壓電感感量減小多達兩倍以上。憑借低開關損耗、導通損耗以及無損耗電流檢測,HiperPFS-5 IC的頻率滑動技術可支持在整個負載范圍維持高效工作,最高效率可達98%以上。同時還能減低EMI,利于減少元件數目?!?

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        HiperPFS-5 IC使用750V PowiGaN開關可將輸出功率擴展至240W,支持臨界模式PFC所慣常使用的功率范圍,可避免由于電網不穩定導致的電源元件出現過電壓損壞。此外,HiperPFS-5 IC擁有小于40mW的空載功耗,它內置PI的X電容自動放電(CAPZero)功能,可使放電電阻功耗為零,滿足EN 60950的安全要求,有多引腳連接,提供故障冗余。同時HiperPFS-5 IC提供PFC關斷選項,可進一步提高系統輕載效率。HiperPFS-5 IC產品系列涵蓋70-240W輸出范圍,使用高度僅為1.9mm的超薄InSOP-28F封裝,非常適合高功率USB PD適配器(非自供電版本)、電視機、游戲機、PC一體機和家電應用。

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        閻金光表示,一般的功率因數的輸出都是一個高壓的直流,它可能會達到400伏的高壓。這個高壓直流之后再經過后級的二次變換,變換成我們所需要的輸出電壓。而在這個第二級中就用到了PI新推出的第二款產品——HiperLCS-2芯片組。

        HiperLCS-2芯片組: FREDFET諧振式(LLC)變換器+同步整流/ FluxLink隔離

        新推出的雙芯片解決方案由一個隔離器件和一個獨立半橋功率器件組成,結合了LLC和同步整流控制的芯片組不僅簡化了設計,還具有超高的穩壓精度。在0-100%負載跳變時輸出可維持在小于±1%的穩壓精度。HiperLCS-2芯片組可達到98.1%變換效率(滿載效率),40mW空載功耗 (包括輸入電壓檢測功耗),以及全面的IC層面及電路層面的保護功能。相較于分立方案設計,這種高集成度的架構無需使用散熱片,可減少高達40%的元件數量。HiperLCS-2芯片組與HiperPFS-5 IC搭配使用可滿足全球范圍最嚴格的能效標準。

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        據悉,HiperLCS-2芯片組中的隔離器件內部集成了高帶寬的LLC控制器、同步整流驅動器和FluxLink隔離控制鏈路。相較于傳統的光耦,使用PI的FluxLink技術進行安全隔離,其高速的數字反饋控制可提供更快的動態響應特性以及極佳的長期可靠性。FluxLink通訊方式及自動調整的死區時間控制避免了功率開關“共通”現象的出現。所有HiperLCS-2系列器件都具有自供電啟動功能,同時還能夠為使用HiperPFS IC實現的PFC功率級提供偏置供電。

        而獨立半橋功率器件采用PI獨特的600V耐壓FREDFET,同時集成上管和下管的驅動器。600V耐壓的FREDFET開關的主要特點是它的體二極管具有非常好的恢復特性,可以減少與LLC拓撲相關的設計限制,使設計工程師能夠快速、高效、靈活地完成設計。同時它還具有無損耗的電流檢測與大于20%的降額余量。

        HiperLCS-2芯片組分為HiperLCS2-HB(功率器件)與HiperLCS2-SR(安全隔離器件)。安全隔離器件只有一個型號LSR2000C,而功率器件有LCS7260C,LCS7262C,LCS7265C三種型號可供選擇。這兩款器件均采用PI超薄的InSOP-24封裝。

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        HiperPFS-5 IC與HiperLCS-2芯片組或InnoSwitch3的組合使用可以適用于多種不同應用的解決方案。閻金光進一步解釋說:“我們可以采用不同的組合方案,也就是說,前級可以用PFC電路,后級可以用FLYBACK反激式電源,或者用LLC來做。如果輸出功率比較小,那么可以用HiperPFS-5+反激拓撲的InnoSwitch3組合。如果輸出功率比較大,那么推薦用HiperPFS-5+HiperLCS-2組合。采用組合的方案可以達到95%以上的效率,優于最佳的單級反激架構?!?

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        從應用上來看,組合方案的應用非常廣泛。因為大多數的家電應用都在中功率的范圍,比如電視機、具有USB PD接口的顯示器、電動自行車及電動工具充電器、打印機及投影儀,還有PC機的主電源、游戲機、常用適配器、240W功耗的家電應用等。

        從性能上來看,組合方案在中等功率應用中具有極高的效率及極低的空載功耗。HiperPFS-5 IC準諧振、變頻的DCM工作PFC擁有0.98的PF及小于10% 的THD,可達到98% 的效率,小于40mW的空載功耗。不僅有極少元件數,低成本的外圍升壓元器件,還有穩定的余量滿足EN61000-3-2的限值要求。HiperLCS-2芯片組也可以達到98%的效率及小于40mW的空載功耗(包括輸入電壓檢測),并且它的設計簡單,保護全面,輸入電壓、負載范圍及動態負載期間輸出均可維持在小于±1%的精度上。超高精度是PI相比于其他競品的很大的優勢,使用PI的產品即使在空載和滿載跳變(動態負載)期間都可以保證輸出電壓的精度。

        從設計支持工具上來看,PI的優勢是有PI Expert? 設計軟件,提供可下載的DER-672: 220W - HiperPFS-5+HiperLCS-2芯片組參考設計,現在即可以申請樣品。預計產品將在2022年第三季度全面量產。

        PI正以強大的創新能力,穩定的技術研發能力和產品轉化能力,為業界提供更多高能效、高精度、高可靠性且極具競爭力的高集成度電源解決方案,未來依舊值得我們期待。

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