【導(dǎo)讀】許多高效率電源在設(shè)計(jì)時(shí)可以使用有源鉗位反激(ACF)變換器或LLC開關(guān)IC來實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)目標(biāo)。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，究竟應(yīng)該選擇哪一種呢？一些設(shè)計(jì)工程師會(huì)根據(jù)個(gè)人偏好、熟悉程度以及在某些特別應(yīng)用當(dāng)中過去常用的歷史經(jīng)驗(yàn)來做出相應(yīng)的選擇。然而，當(dāng)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(shè)計(jì)要求以及產(chǎn)品效率、尺寸、BOM、功率密度、設(shè)計(jì)簡易性的優(yōu)先級別以及其它影響設(shè)計(jì)的一些因素。
Power Integrations (PI)面向電視機(jī)、顯示器和大功率充電器應(yīng)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開關(guān)IC，與我們的新型HiperPFS?-5功率因數(shù)校正(PFC)前級IC搭配使用時(shí)，可在相同的應(yīng)用當(dāng)中以極高的效率提供高達(dá)240W的功率輸出。
但是對于某種特定的設(shè)計(jì)應(yīng)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?fù)涫亲钊菀讓?shí)現(xiàn)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(tái)。InnoSwitch IC的關(guān)鍵創(chuàng)新之處是采用Power Integrations獨(dú)特的FluxLink?磁感應(yīng)耦合技術(shù)，該技術(shù)的運(yùn)用不僅能實(shí)現(xiàn)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路簡單及元件數(shù)目少的優(yōu)勢。而高效的同步整流技術(shù)的應(yīng)用，可以保證整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)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，線路中無需光耦器，可以保證初級和次級同步整流開關(guān)管協(xié)同工作，不會(huì)發(fā)生交越導(dǎo)通現(xiàn)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(nèi)部集成各種不同電壓的硅、氮化鎵(GaN)以及用于汽車應(yīng)用的碳化硅(SiC)功率開關(guān)。對于需要通過反激方案實(shí)現(xiàn)最佳效率和最小尺寸的設(shè)計(jì)工程師來說，可以采用InnoSwitch4-CZ和ClampZero?有源鉗位IC（均采用GaN開關(guān)）以及HiperPFS-5 PFC級，設(shè)計(jì)出體積極小的可量產(chǎn)銷售的USB PD移動(dòng)設(shè)備充電器（見圖2）。具體詳見Power Integrations的參考設(shè)計(jì)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(nèi)部集成了一個(gè)750V PowiGaN開關(guān)、初級和次級控制器、ClampZero接口、同步整流以及符合安全標(biāo)準(zhǔn)的反饋鏈路。高達(dá)140kHz的穩(wěn)態(tài)開關(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(dá)95%的效率，并在不同輸入電壓、系統(tǒng)負(fù)載和所選輸出電壓下保持極高的效率。這是通過對具有零電壓開關(guān)特性的主功率開關(guān)以及有源鉗位開關(guān)，進(jìn)行變頻的非互補(bǔ)模式的控制來實(shí)現(xiàn)的。這種控制方式同時(shí)支持連續(xù)和非連續(xù)導(dǎo)通工作模式，可極大地提高設(shè)計(jì)靈活性，并在所有工作條件下實(shí)現(xiàn)效率最大化。這些反激式開關(guān)IC具有優(yōu)異的恒壓/恒流精度，且不受外圍元件參數(shù)變化的影響。在保證輸入電壓檢測、安全及保護(hù)功能的前提下，其空載功耗小于30mW。
2021年，全球移動(dòng)設(shè)備充電專家Anker宣布其Nano II系列USB C充電器基于InnoSwitch4-CZ和ClampZero IC設(shè)計(jì)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(xiàn)超緊湊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。”
可實(shí)現(xiàn)極高效率的LLC方案
上述設(shè)計(jì)方案已經(jīng)非常緊湊精良，那么客戶還會(huì)提出哪些更高的需求呢？如何滿足這些需求？答案是更高的效率水平，可借助Power Integrations的HiperLCS?-2芯片組，一種半橋式諧振開關(guān)或LLC拓?fù)浼軜?gòu)來實(shí)現(xiàn)。這種雙芯片解決方案可以讓設(shè)計(jì)工程師輕松打造出效率極高、超緊湊的電源和適配器設(shè)計(jì)，以便在市場競爭中獲得關(guān)鍵優(yōu)勢。
這種方案使用諧振開關(guān)來消除開關(guān)轉(zhuǎn)換期間發(fā)生的損耗，甚至可以比最佳的反激式設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)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(dú)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(qū)動(dòng)器和FluxLink隔離控制鏈路；而獨(dú)立的半橋功率器件則采用Power Integrations獨(dú)特的600V FREDFET（快恢復(fù)外延型二極管FET），可提供無損耗電流檢測，并且還集成上管和下管驅(qū)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(shè)計(jì)，這種高集成度的高效架構(gòu)無需使用散熱片，不同器件之間的參數(shù)容差可忽略不計(jì)，并且可減少高達(dá)40%的元件數(shù)量。
基于新型HiperLCS-2芯片組的電源設(shè)計(jì)可提供250W的輸出功率，變換效率超過98%。可在400VDC輸入下實(shí)現(xiàn)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(xù)高精度輸出，輕松符合全球最嚴(yán)格的空載和待機(jī)效率標(biāo)準(zhǔn)。HiperLCS-2器件可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)維持恒定的高效率性能，并且功耗極低，只需通過FR4 PCB板直接傳導(dǎo)散熱，在連續(xù)輸出功率高達(dá)220W的適配器設(shè)計(jì)中無需散熱片，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?yàn)槭褂霉镜腍iperPFS IC實(shí)現(xiàn)的PFC功率級提供啟動(dòng)偏置供電。次級側(cè)檢測的方式可保證在不同輸入電壓下、整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)以及大批量生產(chǎn)時(shí)具有小于1%的調(diào)整精度。相較于傳統(tǒng)的光耦，使用Power Integrations的FluxLink技術(shù)進(jìn)行的安全隔離高速數(shù)字反饋控制，可提供更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和更優(yōu)異的長期可靠性。
具體電路圖如圖3所示。DER-672為相應(yīng)的一款參考設(shè)計(jì)。
圖3：使用Power Integrations HiperLCS-2芯片組的高效LLC設(shè)計(jì)
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?yàn)樵诖龣C(jī)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(xiàn)極高的效率為最終目標(biāo)，而不考慮設(shè)計(jì)簡易性、可生產(chǎn)性及具體操作等其他因素，那么LLC諧振變換器無疑是最佳的選擇。
最緊湊設(shè)計(jì)與最高效率之間的權(quán)衡
250W只是LLC變換器起步功率，它可用于高達(dá)數(shù)kW的應(yīng)用。而另一方面，反激式設(shè)計(jì)在250W時(shí)已接近其極限。就變壓器尺寸和初級開關(guān)電流（因GaN開關(guān)具有超低RDS(ON)而有所緩解）要求而言，輸出功率若要超過250W，可能需要不同種類的反激方案。后續(xù)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)可移植性的需求是工程師在確定采用哪種平臺(tái)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(shù)量較少。
如果要實(shí)現(xiàn)極致的小型化和最低的BOM數(shù)，可以選擇反激式InnoSwitch4-CZ設(shè)計(jì)。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(yīng)用，反激方案仍然是最常見的選擇。
為獲得最佳效率，則可選擇LLC方案，即HiperLCS-2和HiperPFS-5結(jié)合使用。
簡而言之，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(shè)計(jì)、最緊湊和BOM數(shù)極少的方案，請選擇InnoSwitch4-CZ、HiperPFS-5和ClampZero。
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補(bǔ)充內(nèi)容：
功率因數(shù)校正
許多國家和地區(qū)要求額定輸入功率超過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(guī)定是為了防止輸電線產(chǎn)生功率損耗和干擾連接到交流電源的其他設(shè)備。這種調(diào)整稱為功率因數(shù)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(shù)校正(PFC) IC，HiperPFS-5系列準(zhǔn)諧振(QR) DCM PFC IC。其內(nèi)部集成了750V PowiGaN?氮化鎵開關(guān)，可在不使用散熱片的情況下提供高達(dá)240W的輸出功率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.98的功率因數(shù)。其最高效率可達(dá)98.3%。這種前級芯片支持110/220VAC輸入，并將輸入變換為400V的直流輸出母線電壓。
圖1：使用HiperPFS-5可設(shè)計(jì)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(nèi)置PowiGaN升壓開關(guān)的IC
Power Integrations的HiperPFS-5 PFC IC使用創(chuàng)新的準(zhǔn)諧振(QR)非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)控制技術(shù)，可在不同負(fù)載、輸入電壓和每個(gè)工頻周期內(nèi)對開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)整。QR模式的DCM控制可降低開關(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(tǒng)的臨界導(dǎo)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。低開關(guān)和導(dǎo)通損耗（因PowiGaN開關(guān)而進(jìn)一步降低）再加上無損耗電流檢測，使HiperPFS-5 IC能夠在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)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(nèi)因市電供電不穩(wěn)定而可能導(dǎo)輸入電壓浪涌的地區(qū)，耐用的750V GaN開關(guān)也非常有用。當(dāng)使用傳統(tǒng)的硅MOSFET時(shí)，輸入電壓升高可導(dǎo)致元件故障。HiperPFS-5 IC可以在不同輸入電壓（最高可達(dá)305VAC）下保持高功率因數(shù)，并且可在輸入電壓驟升至460VAC期間連續(xù)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，包括滿足安全法規(guī)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。
通過將HiperPFS-5 IC與Power Integrations的反激式或LLC開關(guān)IC搭配使用，可將直流母線電壓變換為所需的24V、19V、12V、5V等輸出。因此，設(shè)計(jì)工程師能夠輕松滿足最嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn)并省去散熱片，同時(shí)將物料清單縮減一半，為電視機(jī)、顯示器、游戲機(jī)、電腦一體機(jī)和家電應(yīng)用設(shè)計(jì)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)品營銷經(jīng)理
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