【導讀】許多高效率電源在設計時(shí)可以使用有源鉗位反激(ACF)變換器或LLC開(kāi)關(guān)IC來(lái)實(shí)現其設計目標。在實(shí)際設計時(shí)，究竟應該選擇哪一種呢？一些設計工程師會(huì )根據個(gè)人偏好、熟悉程度以及在某些特別應用當中過(guò)去常用的歷史經(jīng)驗來(lái)做出相應的選擇。然而，當面對兩種或更多可能的解決方案時(shí)，最佳方案的選取則取決于合理的工程推理、設計要求以及產(chǎn)品效率、尺寸、BOM、功率密度、設計簡(jiǎn)易性的優(yōu)先級別以及其它影響設計的一些因素。
Power Integrations (PI)面向電視機、顯示器和大功率充電器應用提供全系列高度集成的反激式變換器，這些器件均采用超薄封裝。我們還提供一系列新的LLC開(kāi)關(guān)IC，與我們的新型HiperPFS?-5功率因數校正(PFC)前級IC搭配使用時(shí)，可在相同的應用當中以極高的效率提供高達240W的功率輸出。
但是對于某種特定的設計應用，ACF和LLC，哪種方案更加適合呢？
終極反激方案
隔離反激式拓撲是最容易實(shí)現的。Power Integrations提供許多反激式控制器IC產(chǎn)品系列，其中包括InnoSwitch平臺。InnoSwitch IC的關(guān)鍵創(chuàng )新之處是采用Power Integrations獨特的FluxLink?磁感應耦合技術(shù)，該技術(shù)的運用不僅能實(shí)現精確的高性能次級反饋控制，而且還具備通常只有初級反饋控制才具有的線(xiàn)路簡(jiǎn)單及元件數目少的優(yōu)勢。而高效的同步整流技術(shù)的應用，可以保證整個(gè)負載范圍內均提供極高的效率，同時(shí)具有極低的空載功耗。由于FluxLink的使用，線(xiàn)路中無(wú)需光耦器，可以保證初級和次級同步整流開(kāi)關(guān)管協(xié)同工作，不會(huì )發(fā)生交越導通現象，進(jìn)而大大增加了可靠性。。
Power Integrations提供豐富多樣的InnoSwitch反激式IC，內部集成各種不同電壓的硅、氮化鎵(GaN)以及用于汽車(chē)應用的碳化硅(SiC)功率開(kāi)關(guān)。對于需要通過(guò)反激方案實(shí)現最佳效率和最小尺寸的設計工程師來(lái)說(shuō)，可以采用InnoSwitch4-CZ和ClampZero?有源鉗位IC（均采用GaN開(kāi)關(guān)）以及HiperPFS-5 PFC級，設計出體積極小的可量產(chǎn)銷(xiāo)售的USB PD移動(dòng)設備充電器（見(jiàn)圖2）。具體詳見(jiàn)Power Integrations的參考設計DER-957。
圖2：超緊湊且高效率的PFC + 反激式功率變換方案，采用HiperPFS-5以及InnoSwitch4-CZ和MinE-CAP技術(shù)
InnoSwitch4-CZ產(chǎn)品系列采用薄型InSOP-24D封裝，內部集成了一個(gè)750V PowiGaN開(kāi)關(guān)、初級和次級控制器、ClampZero接口、同步整流以及符合安全標準的反饋鏈路。高達140kHz的穩態(tài)開(kāi)關(guān)頻率降低了變壓器尺寸，進(jìn)一步提高功率密度。相較于其它有源鉗位反激方案，InnoSwitch4-CZ和ClampZero芯片組可提供高達95%的效率，并在不同輸入電壓、系統負載和所選輸出電壓下保持極高的效率。這是通過(guò)對具有零電壓開(kāi)關(guān)特性的主功率開(kāi)關(guān)以及有源鉗位開(kāi)關(guān)，進(jìn)行變頻的非互補模式的控制來(lái)實(shí)現的。這種控制方式同時(shí)支持連續和非連續導通工作模式，可極大地提高設計靈活性，并在所有工作條件下實(shí)現效率最大化。這些反激式開(kāi)關(guān)IC具有優(yōu)異的恒壓/恒流精度，且不受外圍元件參數變化的影響。在保證輸入電壓檢測、安全及保護功能的前提下，其空載功耗小于30mW。
2021年，全球移動(dòng)設備充電專(zhuān)家Anker宣布其N(xiāo)ano II系列USB C充電器基于InnoSwitch4-CZ和ClampZero IC設計而成，并且表示該芯片組“具有極為出色的集成度和效率水平，是Nano II系列實(shí)現超緊湊設計的關(guān)鍵所在?！?/p>
可實(shí)現極高效率的LLC方案
上述設計方案已經(jīng)非常緊湊精良，那么客戶(hù)還會(huì )提出哪些更高的需求呢？如何滿(mǎn)足這些需求？答案是更高的效率水平，可借助Power Integrations的HiperLCS?-2芯片組，一種半橋式諧振開(kāi)關(guān)或LLC拓撲架構來(lái)實(shí)現。這種雙芯片解決方案可以讓設計工程師輕松打造出效率極高、超緊湊的電源和適配器設計，以便在市場(chǎng)競爭中獲得關(guān)鍵優(yōu)勢。
這種方案使用諧振開(kāi)關(guān)來(lái)消除開(kāi)關(guān)轉換期間發(fā)生的損耗，甚至可以比最佳的反激式設計所實(shí)現的效率還要高出至少2%。HiperLCS-2雙芯片解決方案由一個(gè)隔離器件和一個(gè)獨立半橋功率器件組成。其中的隔離器件中集成了高帶寬的LLC控制器、同步整流驅動(dòng)器和FluxLink隔離控制鏈路；而獨立的半橋功率器件則采用Power Integrations獨特的600V FREDFET（快恢復外延型二極管FET），可提供無(wú)損耗電流檢測，并且還集成上管和下管驅動(dòng)電路。這兩款器件均采用薄型InSOP-24封裝。相較于分立式LLC設計，這種高集成度的高效架構無(wú)需使用散熱片，不同器件之間的參數容差可忽略不計，并且可減少高達40%的元件數量。
基于新型HiperLCS-2芯片組的電源設計可提供250W的輸出功率，變換效率超過(guò)98%?？稍?00VDC輸入下實(shí)現低于50mW的空載輸入功率，而且即使在空載時(shí)也能提供持續高精度輸出，輕松符合全球最嚴格的空載和待機效率標準。HiperLCS-2器件可在整個(gè)負載范圍內維持恒定的高效率性能，并且功耗極低，只需通過(guò)FR4 PCB板直接傳導散熱，在連續輸出功率高達220W的適配器設計中無(wú)需散熱片，并且能夠短時(shí)提供170%的峰值輸出功率。所有HiperLCS-2系列器件都具有自供電啟動(dòng)功能，同時(shí)還能夠為使用公司的HiperPFS IC實(shí)現的PFC功率級提供啟動(dòng)偏置供電。次級側檢測的方式可保證在不同輸入電壓下、整個(gè)負載范圍內以及大批量生產(chǎn)時(shí)具有小于1%的調整精度。相較于傳統的光耦，使用Power Integrations的FluxLink技術(shù)進(jìn)行的安全隔離高速數字反饋控制，可提供更快的動(dòng)態(tài)響應和更優(yōu)異的長(cháng)期可靠性。
具體電路圖如圖3所示。DER-672為相應的一款參考設計。
圖3：使用Power Integrations HiperLCS-2芯片組的高效LLC設計
HiperLCS-2控制引擎還提供漸進(jìn)式脈沖串模式和控制技術(shù)，不會(huì )因為在待機期間為了抑制更高的輸出紋波，而采用更多的輸出濾波元件。
如果以實(shí)現極高的效率為最終目標，而不考慮設計簡(jiǎn)易性、可生產(chǎn)性及具體操作等其他因素，那么LLC諧振變換器無(wú)疑是最佳的選擇。
最緊湊設計與最高效率之間的權衡
250W只是LLC變換器起步功率，它可用于高達數kW的應用。而另一方面，反激式設計在250W時(shí)已接近其極限。就變壓器尺寸和初級開(kāi)關(guān)電流（因GaN開(kāi)關(guān)具有超低RDS(ON)而有所緩解）要求而言，輸出功率若要超過(guò)250W，可能需要不同種類(lèi)的反激方案。后續設計和設計可移植性的需求是工程師在確定采用哪種平臺時(shí)必須考慮的另一個(gè)因素。
Power Integrations的反激式和LLC解決方案都非常高效且BOM數量較少。
如果要實(shí)現極致的小型化和最低的BOM數，可以選擇反激式InnoSwitch4-CZ設計。對于具有非常寬輸出范圍（5V、9V、12V、20V，甚至28V）的USB PD充電器和適配器應用，反激方案仍然是最常見(jiàn)的選擇。
為獲得最佳效率，則可選擇LLC方案，即HiperLCS-2和HiperPFS-5結合使用。
簡(jiǎn)而言之，如果想要具有極高效率的方案，請選擇HiperLCS-2和HiperPFS-5；如果想要最易于設計、最緊湊和BOM數極少的方案，請選擇InnoSwitch4-CZ、HiperPFS-5和ClampZero。
有關(guān)詳細信息，請訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)站www.power.com。
補充內容：
功率因數校正
許多國家和地區要求額定輸入功率超過(guò)75W的電源，必須對輸入電流加以校正，使其波形與相位關(guān)系與正弦輸入電壓相近。這一規定是為了防止輸電線(xiàn)產(chǎn)生功率損耗和干擾連接到交流電源的其他設備。這種調整稱(chēng)為功率因數校正(PFC)。
在今年德克薩斯州休斯頓舉行的APEC大會(huì )上，Power Integrations推出了一款新的功率因數校正(PFC) IC，HiperPFS-5系列準諧振(QR) DCM PFC IC。其內部集成了750V PowiGaN?氮化鎵開(kāi)關(guān)，可在不使用散熱片的情況下提供高達240W的輸出功率，實(shí)現優(yōu)于0.98的功率因數。其最高效率可達98.3%。這種前級芯片支持110/220VAC輸入，并將輸入變換為400V的直流輸出母線(xiàn)電壓。
圖1：使用HiperPFS-5可設計出具有極高集成度的QC DCM升壓PFC電路，并且HiperPFS-5是業(yè)界首款內置PowiGaN升壓開(kāi)關(guān)的IC
Power Integrations的HiperPFS-5 PFC IC使用創(chuàng )新的準諧振(QR)非連續導通模式(DCM)控制技術(shù)，可在不同負載、輸入電壓和每個(gè)工頻周期內對開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行調整。QR模式的DCM控制可降低開(kāi)關(guān)損耗，并允許使用更小的PFC電感和成本更低的升壓二極管。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。低開(kāi)關(guān)和導通損耗（因PowiGaN開(kāi)關(guān)而進(jìn)一步降低）再加上無(wú)損耗電流檢測，使HiperPFS-5 IC能夠在整個(gè)負載范圍內提供非常高的變換效率。而且空載功耗僅為38mW。
對于世界范圍內因市電供電不穩定而可能導輸入電壓浪涌的地區，耐用的750V GaN開(kāi)關(guān)也非常有用。當使用傳統的硅MOSFET時(shí)，輸入電壓升高可導致元件故障。HiperPFS-5 IC可以在不同輸入電壓（最高可達305VAC）下保持高功率因數，并且可在輸入電壓驟升至460VAC期間連續工作。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(mǎn)足安全法規所需的冗余引腳以及高壓自啟動(dòng) - 所有這些都集成在一個(gè)薄型InSOP?-T28F表面貼裝功率封裝中。
通過(guò)將HiperPFS-5 IC與Power Integrations的反激式或LLC開(kāi)關(guān)IC搭配使用，可將直流母線(xiàn)電壓變換為所需的24V、19V、12V、5V等輸出。因此，設計工程師能夠輕松滿(mǎn)足最嚴格的效率標準并省去散熱片，同時(shí)將物料清單縮減一半，為電視機、顯示器、游戲機、電腦一體機和家電應用設計出精致小巧的超快速充電器和大功率USB PD適配器。
作者：Aditya Kulkarni，Power Integrations高級產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理
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