能效已經成為所有電子產品越來越關注的焦點之一，一方面這意味著可以節(jié)省更多的能源，減少碳排放；另外更高的能效意味著更小，更緊湊且更輕薄的電源系統(tǒng)，這可以使電子產品在成本，尺寸，易用性等方面不斷進步。

對于電源來說，由于牽扯到諸多分立元件、變壓器、功耗、散熱器、EMI、布線、保護等等諸多元素，還要著重考慮SWaP-C，因此高集成度似乎成為了目前電源管理技術的唯一突破點。通過高集成度，設計人員可以極大減少設計周期，降低開發(fā)難度與系統(tǒng)成本。

Power Integrations（PI）是一家成立于1988年的電源管理芯片供應商，自成立之初就將Integration（集成）作為公司最大的產品競爭差異化，通過一步步將各類功率器件及其他與數字控制電路相結合，PI奠定了公司與眾不同的創(chuàng)新基礎。

比如PI針對第三代半導體所開發(fā)的PowiGaN氮化鎵（GaN）MOSFET以及碳化硅（SiC）MOSFET，并沒有推出分立的功率器件，而是通過SiP集成的方式，將氮化鎵應用于包括手機快充、LED電視供電、MinE-CAP最小化電解電容IC、LED照明管理等多種應用領域，而SiC則也是集成應用于汽車的應急電源管理系統(tǒng)中。

因為作為第三代半導體這一新興市場來說，很多人缺乏相關設計經驗，再加上其特性尤其是開關頻率與傳統(tǒng)硅器件有很大差別。因此這種集成，簡化了設計人員的開發(fā)門檻，使得PI的產品獲得了市場越來越多的認可。

日前，PI推出了包括集成750V氮化鎵開關的高效準諧振PFC芯片HiperPFS-5以及LLC芯片組HiperLCS-2。PI資深技術培訓經理閻金光詳細解讀了這兩個系列的產品，而通過這些新品，我們也可以看到PI是如何不斷追求高集成度，簡化設計以及高效率的。

PI PFC+LLC典型應用框圖

為氮化鎵開辟新應用場景，PI推出集成的PFC控制器HiperPFS-5

集成750V PowiGaN氮化鎵開關的HiperPFS-5系列功率因數校正（PFC）IC，效率高達98.3%，在無需散熱片的情況下可提供高達240W的輸出功率。HiperPFS-5 IC非常適合高功率USB PD適配器、電視機、游戲機、PC一體機和家電應用。閻金光表示，2021年新的USB PD3.1標準，將最大輸出功率由100W提升至240W，作為長期關注USB PD市場的PI來說，一直在全力支持USB協(xié)會的升級工作，這也是PI全新產品的主要驅動力。

為了提高電網電器有用功率，并減少對電網的干擾，無論是IEC-61000-3-2，還是CCC認證，都將PFC（功率因數校正）電路作為了必要認證指標。一般而言，對于75W以上的電源來說，都需要PFC電路。而隨著社會不斷追求更高能效，因而此前通常在400W以上的中高端功率電源才會出現的主動式PFC，正在越來越多的替代過去的被動式PFC。

盡管PFC相比較沒有采用PFC的方案，實現了更高的功率利用。但額外增加的前級PFC，依然會犧牲一部分系統(tǒng)能效，而從系統(tǒng)角度出發(fā)，包括PFC和LLC的效率乘積，才是整體電源的效率。也正因此，例如80 Plus標準對于PFC的效率要求不斷提升，正說明了提高PFC對系統(tǒng)效率具有極其重要的影響。

閻金光以PI的實際解決方案為例，在小于75W應用中采用反激式拓撲集成PowiGaN的InnoSwitch3，可以實現94%的轉換效率，且無需散熱片設計。而如果在PFC+LLC的高功率輸出情況下，想要達到94%的效率，就必須同時至少實現97%的PFC和97%的LLC（97%*97%=94%），才可以無需散熱器。（實際上PI的PFC和LLC解決方案都實現了最高98%的效率，且可實現40mW超低待機功耗）

如圖所示，HiperPFS-5創(chuàng)新性地將750V PowiGaN功率開關與控制器集成在一起，這幾乎是PFC電路上首次實現這一種集成方式，其他供應商目前大多數依然采用了GaN FET與控制器分立的模式。此外，高集成了包括X電容放電、自供電、電流檢測、數字輸入峰值電壓檢測等功能，從而使PFC前級所有元件數低于25個，從而簡化開發(fā)門檻。

HiperPFS-5可以實現0.98的功率因數校正，以及低于10%的THD。那么這么一款優(yōu)異的產品，是如何實現的？閻金光進行了詳細解讀。

在高集成方面：

首先，是集成了PowiGaN功率開關，這也是PI此前在多種場景中已經成功導入的成熟技術。產品實現了230VAC滿載時98.3%的效率，并且由于GaN耐壓為750V，相比傳統(tǒng)600V硅器件，支持更高的浪涌電壓。同時由于GaN的RDSon更小，因此導通損耗更低。

其次，芯片內部集成有ADC，可以采集輸入電壓，從而濾除失真變形，并支持非正弦（比如UPS）的交流輸入。

第三，X電容放電管理的集成，則源于PI CAPZero-3 X電容放電IC。X電容是跨接在交流電零線與火線之間的濾波電容，為了實現EN60950安規(guī)要求，需要X電容在AC掉電的一秒內完成放電，使電壓下降到37V左右。X電容的放電回路主要由放電電阻進行能量吸收。由于DCM工作模式峰值電流較大，因此前級EMI濾波當中的X電容也會更大，放電能量也因此更大，這也意味著放電電阻回路的額外功率損耗也就越大。而通過電容放電管理功能，可以在交流上電時關閉放電回路，僅在交流電斷開后自動放電，從而降低了系統(tǒng)功耗。同時，HiperPFS-5具有兩組X電容放電管理引腳互為備份，增強了安規(guī)保證。

第四，芯片支持高壓自供電技術，支持高壓直接引入作為啟動階段的偏置電壓，而無需額外的充電泵或繞阻。

第五，是增強的EMC，將電流檢測電阻放到了芯片內部，因此抗干擾性也會更強。

在控制方面，PI也根據自身強大的專利組合，做了諸多優(yōu)化：

首先，電源以可變頻的DCM（非連續(xù)導通）的工作方式運行。一般而言，對于3/4百瓦以內的小功率應用，通常都會采用CrM（臨界導通）或者DCM工作方式。相較于CCM，DCM或CrM的電感可以更小，從而實現更低成本以及更小空間。此外，PI獨有的可變頻率的DCM工作方式，還可以相比其他競爭對手的，進一步降低60%的電感感量。主要原因是因為其他廠商的DCM或CrM控制器，在正弦波峰處（Vac（min）（pk））具有最低的頻率，而PI的可變頻DCM控制模式，在正弦波峰處具有最高的頻率，感量又與頻率成反比，因此這種工作頻率的差異造成了感量的差異。同時，在DCM模式下，輸出二極管不存在強制換流需求，從而避開了反向恢復，因此對于二極管的反向恢復參數要求比CCM低得多，成本則可以更低，當然也可以選擇PI的Qspeed具有最低的反向恢復電荷（Qrr）的600V二極管，可以替代目前高效率PFC中所采用的SiC二極管。

其次，PI的功率因數增強技術，可以使在輕負載（比如20%）的情況下，實現0.96的功率因數，具體原因是在輕負載電路由于X電容呈現容性時，通過內部補償校正增強電路的電感特性，從而中和容性效果，使電路更趨近于電阻特性，實現輕載下更好的功率因數校正。

第三，采用了準諧振模式。由于GaN是高壓輸入，源漏極電壓比較高，為了降低開通損耗，采用了準諧振波谷檢測電路。

第四，是可變頻率滑動技術，可以確保在整個負載范圍內維持高效運作，并可降低EMI。

此外，該產品組合豐富，涵蓋從77W至240W的多種選擇，并且包含自供電與非自供電版本，用戶可根據應用靈活配置。

而在封裝上，和此前幾代采用eSIP-16D垂直封裝形式不同，新一代產品采用了InSOP-T28F封裝，芯片底部有散熱導盤，無需額外散熱片。

LLC芯片組HiperLCS-2

與HiperPFS-5搭配的，是PI新推出的HiperLCS-2 LLC芯片組，相較PFC而言，LLC的產品更迭速度并不快，上一代HiplerLCS產品的推出還是在10年前。因此比起第一代產品，有了非常多的進步，也是為了搭配HiperPFS-5，實現更高的效率，從而輕松滿足80plus鈦金標準。HiperLCS-2芯片組包括了LLC控制器HiperLCS-2 HB以及HiperLCS-2 SR次級側整流和控制器兩顆產品。

HiperLCS-2芯片組相比于分立方案，可減少高達40%的元件數量，因此可極大簡化LLC諧振功率變換器的設計和生產。新推出的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。其中的隔離器件內部集成了高帶寬的LLC控制器、同步整流驅動器和FluxLink隔離控制鏈路。而獨立半橋功率器件則采用PI獨特的600V FREDFET，具有無損耗的電流檢測，同時集成有上管和下管的驅動器。高集成度的高效架構無需使用散熱片。

HiperLCS

HiperLCS-2

如上兩圖對比，第一代HiperLCS次級側沒有兩個MOSFET實現同步整流，而HiperLCS-2支持同步整流，且相對于二極管，導通損耗更低，整體效率進一步提升。

集成600V耐壓的FREDFET，此前曾在PI的電機驅動BridgeSwitch中廣泛應用。FREDFET的全稱為fast-recovery （或fast-reverse） epitaxial diode field-effect transistor，顧名思義，其最主要特點就是具有快速恢復特性體二極管的FET。體二極管的恢復特性，是開關應用中的一個重要問題，會導致功率損耗，從而降低系統(tǒng)效率。閻金光表示，如果反向恢復特性好，很多限制條件都會放寬，更加易于設計。

該270W LLC參考設計的中心工作頻率為120KHz，閻金光表示，開關電源的工作頻率并不是越高越好，盡管頻率越高，電感等被動元件的尺寸可以更小，但是卻會顯著增加開關損耗，并且隨著頻率越高，變壓器中導線的銅線的損耗也會因為趨膚效應而增加。也正因此，PI目前并沒有用GaN FET替換FREDFET。實際上通過ZVS軟開關，以及快速恢復FREDFET，已經可以顯著降低開啟功耗，并減少了死區(qū)時間。誠然選擇GaN，無論是RDSon導通損耗，還是關閉損耗，或者減少死區(qū)時間方面抑或是縮小磁性元件方面都有著優(yōu)勢，但對于高母線電壓、低電流、中低功率、低頻操作的LLC應用而言，氮化鎵所體現出來的優(yōu)勢并不明顯，此外如果提高頻率，則可能需要更換趨膚效應更低成本更高的變壓器。只有對于更大功率的應用來說，在97%效率基礎上繼續(xù)提升的意義才更大?！安⒉皇钦fLLC工作頻率越高越好，一定要根據不同的電源體積，不同的散熱條件，不同的功率等級對頻率進行優(yōu)化。”閻金光說道。

外置繞阻偏置供電除了可以給LLC供電之外，還可以給前級PFC供電。

而內置的多重保護機制，可簡化設計并增強產品的可靠性。包括自動死區(qū)時間控制技術避免上下管同時導通，也包括過流保護、輸出短路保護、過壓/欠壓保護等。

對于芯片組的另一顆器件，次級側的同步整流驅動而言，集成了PI專利的隔離技術FluxLink，無需光耦即可實現次級側檢測的反饋，從而實現了快速動態(tài)響應以及更高的精度。此外，PI具有獨特的控制策略，在空/輕載打嗝模式下，LLC也可以保證輸出精度。“LLC空載時很容易出現輸出電壓漂高，紋波變差甚至出現音頻噪音，PI提供了三種打嗝模式，從而優(yōu)化了空載輸出精度?！遍惤鸸庹f道。

在封裝上，HiperLCS-2同樣由此前的eSIP垂直封裝變成InSOP封裝，散熱及安裝更為友好。其中初級側也提供不同功率輸出的組合，而次級側整流也提供了不同的工作頻率可選。

PI豐富的產品線拓展，不僅可以幫助開發(fā)者針對功率及效率約束選擇更合適的產品，同時也可以有更多種的產品組合。比如HiperPFS-5既可以同HiperLCS-2結合，實現PFC+LLC最高240W輸出，同時也可以和InnoSwitch反激開關結合，實現最高110W的輸出。目前PI已針對PFC+LLC產品提供了針對電視和顯示器應用的220W無散熱片參考設計。

可以比較一下PI參考方案（左）（DER-672 220W）與其他GaN供應商250W的PFC+LLC方案（右），可以看到IC數量可以大幅減少，從而簡化PCB的布線及設計。

總結

PI新推出的PFC與LLC控制器，綜合集成了PI此前已驗證過的各種IP及拓撲控制優(yōu)勢，并且貼合市場需求，在輸出功率方面緊密結合市場應用趨勢，并在效率、EMI、成本、可靠性以及設計門檻方面進一步提升，從而不斷發(fā)掘開關電源新的增長點。作為電源設計而言，“綜合考量”是工程師最頭疼的問題，通過高集成高性價比的IC，則可以顯著緩解這種焦慮。