氮化镓：相得益彰的高效解决方案覆盖中功率应用
品慧电子讯2022美国国际电力电子应用展览会（APEC）期间，Power Integrations（PI）举办新品媒体沟通会，资深技术培训经理阎金光介绍了使用组合芯片实现的中功率应用高效电源解决方案。他表示，新推出的两款产品采用的是两级架构，第一级是PFC（功率因素校正）；第二级是DC-DC变换。第二级变换采用LLC拓扑，也就是谐振式电源。
新产品用内部集成750V PowiGaN? 氮化镓开关的HiperPFS?-5 PFC IC作为第一级；第二级是HiperLCS?，其效率非常高，谐振式软开关操作总输出功率可达270W，覆盖中功率应用范围。
那么，这一对新产品究竟有什么优势，又怎么使用呢？我们往下看。
为什么使用氮化镓开关？
近年来，氮化镓开关非常火爆，PI的InnoSwitch3内部就集成了氮化镓开关，在本次发布的新品中也使用了氮化镓开关。阎金光说，氮化镓开关导通电阻低，比硅器件效率更高，尤其是在低压输入、高电流时。在同样功率下，输入电压越低，电流越大，导通损耗所占比例也越高。传统硅器件的导通电阻比氮化镓器件高，所以损耗更多。
在低压时，使用PI的PowiGaN氮化镓开关可以将产生的热量降低40%。以65W适配器为例，比较硅开关和PowiGaN氮化镓开关，低压时热量明显减少，而在高压情况下，PowiGaN也会将原来使用硅开关产生的热量降低25%，效率从92%提升到94%左右。针对电源体积一般都很小的情况，如果能大幅度降低热量，电源温升改善将非常明显。
采用PowiGaN可以将电源尺寸做到信用卡大小，InnoSwitch4中除了用到PowiGaN氮化镓开关，还可利用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。目前PI三个产品系列中都使用了氮化镓功率器件，以实现全氮化镓AC-DC反激电源解决方案。
增加功率给高效率带来哪些挑战？
阎金光表示，随着USB PD3.1规格的推出，适配器电源功率越来越大。当输入功率超过75W时，必须满足功率因数要求。一般是在电源前级加一个PFC校正电路，使交流输入端的电流相位完全跟踪电压。
通常，人们希望交流电网两端接的负载是纯电阻，其特性在于输入电压和输入电流的相位总是相同，但如果负载是电容性或电感性这样的电抗性负载，电压和电流就会有相位差。电压乘以电流等于功率，如果电压和电流相位不同，乘积就会变小，负载实际使用到的有功功率就非常低。过多的功率会在电源供电端传输线上损耗掉。所以，功率比较大时要求有功率因数校正功能，因为如果功率因数比较低，电网上看到的功率是100W，而实际只能用80W。这时功率因数是0.8，所以有20W线上损耗也要付电费。
以前做单级电源无散热片设计时，AC进来直接由电源变换出DC，实际效率达到95%才能实现无散热片设计，以保证电源的高功率密度和小体积。但现在输出功率增大了，输入功率也会增加。在有功率因数较正的情况下，电源内部是一个两级结构，前面一个PFC前级，后面一个DC-DC变换级。保证效率大于94%才能实现无散热片设计，其中的元件数目会更多，两级电源散热也更加难以处理。
面临挑战是：随着功率增加需要有功率因数校正，原来的单级方案必须用两级来实现；而两级效率又不能太低，否则总体效率会下降，电源发热严重。因此，一定要把两级电源设计的前级PFC效率做高，同时让DC-DC变换效率尽量高，才能保证整体散热满足温升要求。
如何实现200W以上应用的高效率？
阎金光介绍说，为了应对两级电源效率的挑战，PI推出了两款产品，一款是HiperPFS-5，内部集成了氮化镓的功率开关管，每一级效率都保证大于98%。其前级是功率因数校正，可保证输入电流和输入电压同相。前级功率变换的输出通常是一个高压直流，在400V左右，经过后级二次变换成所需的输出电压。第二级用到了PI的第二款芯片组产品，其中一个芯片内部集成了LLC拓扑中的上管和下管，采用的是600V耐压的FREDFET MOS管，而不是氮化镓开关，因为LLC应用频率并不太高，加上母线高压，电流比较小，也体现不出氮化镓低导通电阻的优势。而FREFET的体二极管良好的反向恢复特性，也利于优化LLC的性能。
LLC工作时其功率开关管半桥以谐振方式工作，两个MOS管都能以零电压模式开关（ZVS），可以将开通损耗减小到零，即器件两端电压为零时才开始开通开关管，电流才开始上升。这种工作方式中开通损耗的降低，就可以把两个功率开关管封在一个IC中，仅利用PCB进行散热。
第二个IC是次级控制器，跨接在二次电源初级和次级之间，通过FluxLink? 将次级的反馈信号传送给功率变换器件。两个芯片一定要搭配工作。这样才能保证初级半桥开关管和次级输出同步整流管的开关时序最优化。
他解释说，整体电源架构有三个芯片，实际上是两套IC，一个是功能因数校正，另一个是LLC芯片组。由于已将很多消耗功率的功能都集成到IC内部，总体空载功耗可以小于40mW，对一些适配器应用非常有帮助，可以在元件数目很少的情况下提升功率密度，同时减少不必要的功耗，使待机功耗最低。
用极少元件实现有源PFC
两级架构中的前级有源PFC以可变频DCM（非连续导通模式）方式工作；功率因数校正变换可以设计工作于不同的工作方式，可以是连续模式，也可以是临界模式或非连续模式。对于功率较小的应用，如250W内，通常采用CRM（临界模式）或DCM，因为电感量比较小，输出二极管没有反向恢复问题。CCM（连续导通模式）虽然可以实现更高的效率，但必须考虑升压二极管的反向恢复问题，不只是二极管成本会增加，反向恢复期间发生的高频振荡对EMI也会有所影响，同时连续模式的升压电感由于感量比较大，成本和体积都会增加。
这次发布的HiperPFS-5则工作于非连续工作模式，而在输入电压最低时工作与临界模式。这种设计除了考虑到整体方案的成本以外，还考虑了电源本身所占用的空间，利于实现高功率密度小体积的设计。芯片独有的功率管导通时间和关断时间分别进行控制的方式，可以保证在90VAC低压输入时电压波峰处的工作频率最高，这样可以大大缩小所需升压电感的感量，进而缩小电感体积。而传统的临界工作控制方式往往在交流输入电压波峰处的开关频率是最低的，这样就不得不使用感量更高的升压电感。
如果要用输入电流跟踪输入电压，则必须知道输入电压波形，HiperPFS-5中采用数字的电压采样方式，即IC内部有ADC（模数转换），这样可以滤掉波形中存在的轻微失真。比如前端输入电压如果来自于发电机或者UPS电源，其输入往往不会是理想的正弦波形。
X电容放电是防触电的安规要求，在DCM模式中，因为峰值电流很大，可能会有差模EMI分量比较高问题，抑制差模EMI的有效方式是采用X电容，而过大的电容则需要相应的放电电阻，以保证交流掉电后X电容能被短时放电。如果阻值较小的放电电阻始终跨接在交流输入端之间，则电源工作时的待机或空载功耗表现就会变差。PI将以前的CapZero IC的X电容放电控制功能也集成进了HiperPFS-5。在交流掉电后内部的开关才会导通，将放电电阻接于X电容两端进行放电。电源正常工作期间，放电电阻本身没有功耗。
新品的另一个特点是用自供电，可节省外部供电电路。可使用后面的DC-DC或另一个绕组给IC进行供电。在PFC电路中，市场上大多数方案使用充电泵，有三、四个元件。PI的方案可以实现漏极自供电，在内部就可以为控制器供电，省掉了一些元件，方案更加简洁。
HiperPFS-5内部集成了一个750V耐压PowiGaN氮化镓开关，可耐受雷电冲击，防止经PFC直接冲击后面的DC-DC变换。在230V满载时，效率可达98.3%，有助于降低温升，实现整体系统效率。
另一个技术是功率因数增强（PFE），在高压输入和20%负载时仍可保证功率因数大于0.96。这种功能是在高压输入轻载情况下，芯片会自行调整输入电流的波形，以补偿由于过高的输入X电容造成的波形畸变及功率因数变差。而经优化的准谐振（QR）模式则能够改善开通损耗，尤其在输入电压比较高的情况下。
总之，HiperPFS-5独特的控制引擎可以实现98%以上的效率，可变频能够保证轻载效率，准谐振方式可以保证降低高压输入时的开通损耗；非连续模式可以用更小感量的升压电感，体积也会相应缩小；频率滑动技术能够保证重轻载效率都比较高，频率变化还可以降低EMI；采用氮化镓开关输出功率可达到240W，涵盖大部分中功率应用；超薄InSOP?-28F封装，下面露出裸横盘，有助于散热，芯片高度只有1.9mm。
怎样确保变换效率最佳？
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。为什么这样的结合可以确保变换效率最佳呢？
阎金光说，第一代的HiperLCS产品没有同步整流，现在将控制芯片跨接在LLC变换的初级和次级之间。利用FluxLink的高带宽传输特性，实现快速精确的开关时序控制。将同步整流的优势发挥到最大。同步整流在反激电源中用的比较多，主要是为了改善整流效率，它比二极管导通损耗更低，整体电源效率更高。由于LLC拓扑应用的功率范围相对于反激更大，输出电流较高时，使用同步整流也成为进一步提高效率的关键。
初级侧集成的两个600V耐压FREDFET具有恢复特性良好的体二极管，可以实现上下管更短的死区时间。反向恢复更好，设计中很多限制条件就可以放宽，更易于设计。传统MOS管也有寄生二极管，但其反向恢复特性非常差。反向恢复特性比较差，除了造成损耗，还会使时序设计受到一些限制，影响整体电源效率。所以，只有这个指标很好，才不用严格考虑开关的时序设计，使效率达到最优。
FREDFET的600V耐压可以满足母线电压要求。通常前面PFC的输出稳定在400V，这样可以提供大约20%裕量，让电源更加可靠。根据不同应用需求，LLC谐振变换的中心频率可以通过外部设定来选择，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，因而其工作频率范围往往较宽。当然，频率越高，无源元件体积就越小，但频率太高开关损耗增加，功率器件的消耗也会增加。中心开关频率具体设定多少，取决于具体的应用需求。HiperLCS-2可以通过外部元件将中心频率设定于90kHz、120kHz、180kHz及240kHz。无论中心频率是多少，半桥开关均是以ZVS软开关的方式工作的。
外部偏置供电除了给LLC供电外，偏置供电绕组还可以给前级PFC供电。PFC刚刚启动是自供电，当后级DC-DC变换工作以后，则由后级变换的变压器辅助绕组给前级的PFC控制器供电。LLC的上下管跨在母线两端，最怕的是两个开关同时导通，会使母线短路，出现炸机。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，器件损坏。
组合使用满足多种不同应用需求
在同步整流驱动的同时，HiperLCS2-SR器件可以通过FluxLink将输出电压电流信息传输到半桥中，以决定开关时序，次级侧检测也能够提升输出电压电流的精度。
LLC工作的一个重要特性是在完全空载时以打嗝模式工作，这种方式会造成输出纹波的增加，甚至是电压失调。PI的控制引擎中专门对打嗝模式做了优化，三种打嗝模式可以保证即使在打嗝模式工作期间，输出电压仍然能够维持在输出稳压范围。而负载发生0-100%的跳变，仍然可以维持输出电压的稳定。
据阎金光介绍，PI集成的芯片组有两个IC器件：HiperLCS2-HB （半桥器件）及HiperLCS2-SR（隔离控制器件）。其中采用的FluxLink反馈速度非常快，利于满足动态负载变化剧烈的应用需求。FluxLink还可以将次级故障情况反馈至半桥功率器件，确保故障发生期间功率器件的安全可靠。
HiperLCS-2可为PFC前级提供偏置供电，效率可达98.1%。内部集成的600V耐压FREDFET可以满足PC应用钛金（80 PLUS Titanium）标准，包括轻载效率和轻载PFC要求。
对于中功率应用，保护电路必须周全，否则会出现一些灾难性故障。由于LLC是变频操作，在205W 90K中心频率，24V/8.5A输出的效率可达98%左右。满载时，小于5W的损耗可以使用PCB散热；在负载比较轻时和重载时，高效的效率曲线比较恒定。
芯片组包括两套器件：HiperLCS2-HB（功率器件）和HiperLCS2-SR（安全隔离器件）。安全隔离器件只有一个型号，可根据不同频率选择不同版本，型号都是LSR2000C。根据不同输出功率范围，功率器件有三个选择：LCS7260C、LCS7262C和LCS7265C，内部集成600V FREDFET，80W到220W连续输出功率。取决于散热条件，最大功率为270W，峰值功功率可达375W。
如果将HiperPFS-5与HiperLCS-2芯片组或InnoSwitch3组合使用，还可适用于多种不同应用。单级的传统反激电源设计中功率只能到65W，功率增加则需要满足功率因数要求。用HiperPFS-5加HiperLCS-2，对于功率较小的应用相较于单级方案，虽然效率稍低，但功率达达200W以上时，单级方案已经无法继续维持高效率工作。因此，针对不同的应用，如果输出功率比较小，可以用HiperPFS-5加一个反激电源InnoSwitch3；如果功率比较高，后面加一个HiperLCS-2。采用组合方案仍然可达95%以上的效率。
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。达到240W、270W输出功率，也改变了以往50、60W PD应用只限于移动用电设备的尴尬局面，是不是给我们一种海阔天空的感觉呢？
来源：PSD功率系统设计
作者：刘洪
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