圖騰柱PFC專用數(shù)字控制器解決方案

隨著節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和客戶需求的不斷提高，電源解決方案的效率和尺寸也在不斷優(yōu)化，設(shè)計(jì)緊湊高效的 PFC 電源是一個(gè)復(fù)雜的開發(fā)挑戰(zhàn)。隨著第三代半導(dǎo)體器件氮化鎵和碳化硅的大范圍應(yīng)用，圖騰柱無橋 PFC（TPPFC）應(yīng)用獲得極大的拓展。相比于傳統(tǒng)的有橋 PFC 拓?fù)?，圖騰柱無橋 PFC 具有許多優(yōu)點(diǎn)：它具有更低的開關(guān)損耗、更高的效率以及極具競(jìng)爭(zhēng)力的小體積，能夠滿足嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn)要求，適用于極致緊湊小巧的電源應(yīng)用。然而，圖騰柱無橋 PFC 電路由于沒有橋堆的阻隔和保護(hù)，輸入交流電直接施加在圖騰柱拓?fù)涞拈_關(guān)管上，電源系統(tǒng)非常容易受到過電流、浪涌過電壓、輸入電壓跌落等故障的損害，很難滿足安全性和各類保護(hù)功能要求，電源工程師們對(duì)圖騰柱無橋 PFC 拓?fù)浼认矚g又不敢靠近。

為了實(shí)現(xiàn)圖騰柱無橋 PFC 的高效要求并克服它帶來的各種挑戰(zhàn)，慧能泰推出了業(yè)界首款圖騰柱無橋 PFC 專用數(shù)字控制器 HP1010，其數(shù)字架構(gòu)基于高速數(shù)字狀態(tài)機(jī)架構(gòu)，并集成了高性能模擬前端以及高速比較器，確保了圖騰柱無橋 PFC 的高性能實(shí)時(shí)控制。HP1010 提供的逐周期限流保護(hù) (CBC) 可有效避免因電源電壓異常波動(dòng)過程中引起的過電流問題，浪涌電壓保護(hù)功能可以使在浪涌過電壓尤其是正半周反向雷擊、負(fù)半周正向雷擊時(shí)快速關(guān)斷慢速同步整流管，有效增強(qiáng)圖騰柱無橋 PFC 的穩(wěn)定性和可靠性。此外，HP1010 還集成了豐富的可編程保護(hù)功能，包括：輸入電壓過壓/欠壓保護(hù)、輸出電壓過壓/欠壓保護(hù)、輸出反饋電壓開路保護(hù)等，保護(hù)功能參數(shù)與使能均可獨(dú)立配置。

HP1010 具備智能切換模式（CCM、DCM和Burst Mode），以適應(yīng)不同負(fù)載條件下的需求，并實(shí)現(xiàn)良好的輕載效率。HP1010 支持開關(guān)頻率延展功能，可以有效提升圖騰柱無橋 PFC 電源系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）性能。僅需通過圖形用戶界面（GUI）軟件即可對(duì)芯片功能進(jìn)行設(shè)定以滿足新方案的需求，加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)和上市時(shí)間。

作為業(yè)界首顆圖騰柱無橋 PFC 數(shù)?；旌蠈Ｓ每刂破?，靈活的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，使其可廣泛應(yīng)用云計(jì)算/服務(wù)器電源、高性能計(jì)算機(jī)、5G/電信電源、工業(yè)電源、超高密度 (UHD) 電源等電源系統(tǒng)。

圖一 HP1010 引腳定義和封裝圖

芯片特性

?高靈活度數(shù)字 PWM, 靈活可選的 20 kHz – 200 kHz 工作頻率

?25 MHz ADC 高性能模擬前端

?高性能數(shù)字控制環(huán)路

?平滑的交流過零控制

?開關(guān)頻率延展改善 EMI

?CCM、DCM 以及 Burst 多模式工作

?快速環(huán)路響應(yīng)

?支持高壓直流輸入

?RMS 功率計(jì)量

?智能繼電器控制，浪涌電流控制

?X 電容器放電控制

?全面的故障保護(hù)，包括逐周期限流保護(hù)、浪涌過電壓保護(hù)、輸入電壓跌落與恢復(fù)等

?低功耗, 在睡眠模式（Sleep Mode）下芯片供電電流低至 1mA

?I2C 和 UART 接口，通過易于使用的圖形用戶界面 (GUI) 進(jìn)行編程

?4 mm x 4 mm QFN-24L 封裝

HP1010 采用 4 mm x 4 mm QFN-24L 封裝，集成高速 ADC、比較器等高性能模擬前端，外圍電路精簡(jiǎn)，整體方案緊湊，占用 PCB 面積小，節(jié)省電路板空間，有效降低 BOM 成本。

圖二 HP1010 典型應(yīng)用電路圖

采用基于 HP1010 的圖騰柱無橋 PFC 參考設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)99%。

圖三 600 W 圖騰柱 PFC 評(píng)估板效率曲線

獨(dú)有的圖騰柱無橋 PFC 快管電流互感器采樣電路，并配置可編程 cycle-by-cycle（CBC）硬件逐周期電流保護(hù)，并可以選擇多次觸發(fā)逐周期電流保護(hù)后關(guān)閉電源、自動(dòng)復(fù)位或斷電復(fù)位。通過圖形用戶界面（GUI）即可對(duì)芯片進(jìn)行配置、實(shí)現(xiàn)功率板實(shí)時(shí)調(diào)試。

圖四 HP1010 圖形用戶界面（GUI）

過零點(diǎn)可編程開環(huán)軟起動(dòng)：

過零點(diǎn)可編程配置各類參數(shù)，以適配不同參數(shù)的慢管，優(yōu)化慢管中點(diǎn)電壓釋放過程?？删幊汤^電器閉合延遲時(shí)間，可完美適配市面上不同性能的繼電器。

圖五 平滑的 AC 過零控制

交流輸入電壓跌落防電流倒灌：

得益于高速數(shù)字交流電壓直接前饋，使占空比大信號(hào)實(shí)時(shí)跟蹤輸入電壓變化，同時(shí)檢測(cè)到輸入電壓跌落時(shí) HP1010 立即關(guān)斷圖騰柱 PFC 快速同步整流管，有效防止輸入電流倒灌，典型的波形如下圖所示。

圖六 (左)電源電壓 45° 跌落持續(xù) 2 ms；(右)電源電壓 0° 跌落持續(xù) 10 ms

抗雷擊保護(hù)：

由于雷擊波電壓上升速度快，并隨機(jī)地同相或反相地疊加到 AC 電壓上，HP1010 控制器必須快速測(cè)出輸入電壓極性并做相應(yīng)的控制調(diào)整，否則容易損壞后級(jí)電路。HP1010 對(duì)雷擊的快速檢測(cè)，能穩(wěn)定而有效地應(yīng)對(duì)這種特殊場(chǎng)景，減小或消除雷電波對(duì)開關(guān)管的沖擊。下圖為實(shí)測(cè)模擬雷擊的響應(yīng)波形：

圖七 電源正半周負(fù)向雷擊

圖八 電源負(fù)半周正向雷擊

PF 以及 THD 測(cè)試:

下圖分別展示了 115 VAC、230 VAC 輸入、全負(fù)載范圍條件下，HP1010 的 PF、THD 測(cè)試結(jié)果。從曲線可以看出采用 HP1010 方案實(shí)現(xiàn)了較低的總諧波失真(THD)：

圖九 600W 評(píng)估板的 PF 曲線

圖十 600W 評(píng)估板的 THD 曲線

慧能泰同步推出了 HP1010 600 W 的評(píng)估板。該評(píng)估板基本參數(shù)如下：

? 輸入電壓范圍：90 ~ 264 VAC

? 輸出電壓: 400 VDC

? 輸出功率：600 W

? 典型效率：98.7%

圖十一采用 HP1010的 600W 評(píng)估板

HP3600 是慧能泰 HySwitch 產(chǎn)品系列下的一款雙通道隔離驅(qū)動(dòng)器，與 HP1010 搭配可形成圖騰柱 PFC 的系統(tǒng)解決方案。

圖十二 HP3600 引腳定義和封裝圖

HP3600 具有峰值 4 A 灌電流和 6 A 拉電流，150 kV/μs 高共模瞬變抗擾度 CMTI 以及低至 48 ns 的傳播延遲。VDDA/VDDB 最高支持 33 V；VDDI 支持 3 至 18 V 寬范圍輸入，可以適應(yīng)模擬和數(shù)字控制器接口。所有電源引腳都具備欠壓鎖定 UVLO 保護(hù)功能，保護(hù)門限為 3 V，適用于 GaN MOSFET 的隔離驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

HP1010+HP3600 方案的推出，是慧能泰對(duì)極致緊湊小巧的電源應(yīng)用里程碑式的創(chuàng)新，未來我們將繼續(xù)堅(jiān)持“芯智慧 芯能源，共建綠色未來”的企業(yè)理念，提供更高效，節(jié)能的電源應(yīng)用產(chǎn)品，助力雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面綠色發(fā)展做貢獻(xiàn)！

關(guān)于慧能泰半導(dǎo)體

深圳慧能泰半導(dǎo)體科技有限公司是一家專注于智慧能源控制技術(shù)的公司，主要面向智能快充和數(shù)字能源領(lǐng)域，提供高性能數(shù)模混合芯片產(chǎn)品。公司總部設(shè)立在深圳前海，同時(shí)在上海、浙江杭州、美國(guó)加州設(shè)有研發(fā)中心。慧能泰的核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)來自國(guó)內(nèi)外頂尖半導(dǎo)體公司，擁有強(qiáng)大的研發(fā)創(chuàng)新能力。公司現(xiàn)已獲多項(xiàng)授權(quán)專利，擁有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并于2020年被評(píng)為“高新技術(shù)企業(yè)”，2023年獲評(píng)國(guó)家級(jí)專精特新“小巨人”企業(yè)。

目前，慧能泰已完成了圍繞USB Type-C生態(tài)鏈的整體產(chǎn)品布局，開發(fā)并量產(chǎn)了多款產(chǎn)品：供電端的多系列PD Source協(xié)議芯片，受電端的高性能PD Sink(PD 誘騙芯片)、Type-C端口控制器（CC Logic），線纜端的USB eMarker（電子標(biāo)簽芯片）。成立以來，慧能泰連續(xù)推出多款業(yè)界領(lǐng)先的產(chǎn)品并廣受市場(chǎng)歡迎。公司芯片出貨量2億顆，標(biāo)桿性客戶有聯(lián)想、小米、三星、HP、貝爾金和努比亞等。同時(shí)，慧能泰也致力于提高能源利用效率、研究能源控制技術(shù)，借助自身的技術(shù)研發(fā)優(yōu)勢(shì)，面向ICT（通信服務(wù)器）、數(shù)據(jù)中心、光伏逆變器、儲(chǔ)能等工業(yè)應(yīng)用，研發(fā)數(shù)字電源控制芯片、高壓驅(qū)動(dòng)芯片、電源轉(zhuǎn)換芯片和模塊等產(chǎn)品。

慧能泰半導(dǎo)體肩負(fù)著“芯智慧 芯能源，共建綠色未來”的使命，立志成為業(yè)界領(lǐng)先的智慧能源控制技術(shù)供應(yīng)商。

審核編輯：湯梓紅