高效率電源設(shè)計中ACF和LLC方案的選擇

作者：Aditya Kulkarni Power Integrations?高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理 ?

許多高效率電源在設(shè)計時可以使用有源鉗位反激(ACF)變換器或LLC開關(guān)IC來實現(xiàn)其設(shè)計目標(biāo)。在實際設(shè)計時，究竟應(yīng)該選擇哪一種呢？一些設(shè)計工程師會根據(jù)個人偏好、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，最佳方案的選取則取決于合理的工程推理、設(shè)計要求以及產(chǎn)品效率、尺寸、BOM、功率密度、設(shè)計簡易性的優(yōu)先級別以及其它影響設(shè)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(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，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)涫亲钊菀讓崿F(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。InnoSwitch IC的關(guān)鍵創(chuàng)新之處是采用Power Integrations獨特的FluxLink磁感應(yīng)耦合技術(shù)，該技術(shù)的運用不僅能實現(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，可以保證整個負(fù)載范圍內(nèi)均提供極高的效率，同時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現(xiàn)最佳效率和最小尺寸的設(shè)計工程師來說，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)計出體積極小的可量產(chǎn)銷售的USB PD移動設(shè)備充電器（見圖2）。具體詳見Power Integrations的參考設(shè)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(nèi)部集成了一個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)行變頻的非互補模式的控制來實現(xiàn)的。這種控制方式同時支持連續(xù)和非連續(xù)導(dǎo)通工作模式，可極大地提高設(shè)計靈活性，并在所有工作條件下實現(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系列實現(xiàn)超緊湊設(shè)計的關(guān)鍵所在。”

可實現(xiàn)極高效率的LLC方案

上述設(shè)計方案已經(jīng)非常緊湊精良，那么客戶還會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)來實現(xiàn)。這種雙芯片解決方案可以讓設(shè)計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，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)計所實現(xiàn)的效率還要高出至少2%。HiperLCS-2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。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(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，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，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)計可提供250W的輸出功率，變換效率超過98%?？稍?00VDC輸入下實現(xiàn)低于50mW的空載輸入功率，而且即使在空載時也能提供持續(xù)高精度輸出，輕松符合全球最嚴(yán)格的空載和待機效率標(biāo)準(zhǔn)。HiperLCS-2器件可在整個負(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)計中無需散熱片，并且能夠短時提供170%的峰值輸出功率。所有HiperLCS-2系列器件都具有自供電啟動功能，同時還能夠為使用公司的HiperPFS IC實現(xiàn)的PFC功率級提供啟動偏置供電。次級側(cè)檢測的方式可保證在不同輸入電壓下、整個負(fù)載范圍內(nèi)以及大批量生產(chǎn)時具有小于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。

圖3：使用Power Integrations HiperLCS-2芯片組的高效LLC設(shè)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。?

如果以實現(xiàn)極高的效率為最終目標(biāo)，而不考慮設(shè)計簡易性、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)計在250W時已接近其極限。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)計和設(shè)計可移植性的需求是工程師在確定采用哪種平臺時必須考慮的另一個因素。

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。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、最緊湊和BOM數(shù)極少的方案，請選擇InnoSwitch4-CZ、HiperPFS-5和ClampZero。

補充內(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，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 - 所有這些都集成在一個薄型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(yīng)用設(shè)計出精致小巧的超快速充電器和大功率USB PD適配器。

審核編輯：湯梓紅