（文/程文智）隨著USB-IF協會在2021年5月正式推出USB PD3.1快充標準以來，PD快充技術迎來了一次重大的技術更新，新增了28V、36V、48V三個拓展輸出電壓，將最大輸出功率提升至了240W，而且還在拓展功率范圍中增加了三組可調電壓檔，分別為15~28V@5A、15~36V@5A、15~48V@5A。

功率的提升，讓USB PD快充不僅僅用于手機、平板電腦和筆記本電腦等消費類產品，而且還能廣泛應用于電動工具、兩輪電動車、電視機、具有USB PD接口的顯示器、打印機和投影儀、甚至是240W功耗的家電應用，以及物聯網設備等應用場景。

中功率電源解決方案需要采用兩級方案

特別是在近年來GaN器件的加持下，中大功率的應用需求和相關產品也逐漸多了起來。但是，根據歐洲電工標準化委員會于2019年9月1日頒布的電磁兼容指令EN IEC 61000-3-2: 2019標準對諧波電流分量的要求，當系統輸入功率超過75W時，需要系統具有（功率因素校正）PFC前級電路，且多數的應用當中需要使用有源PFC電路。

當系統中額外增加了前級PFC開關電路，將會境地整個系統的效率，因此必須提高PFC前級的效率，以降低對系統效率的影響。以前，在做單級電源系統設計時，從AC到DC，如果實際效率能夠達到95%以上，就可以采用無散熱片的設計；但現在輸出功率增大了，相應的輸入功率也必然會增加，在有PFC的情況下，電源系統就是一個兩級結構，即PFC+DCDC變換級。如果同樣也想使用無散熱片的設計方案，就需要保證整個系統的效率大于94%才行，分解來看，PFC的效率必須大于97%，DCDC變換級的效率也要大于97%。

也就是說，需要同時提升PFC和DCDC變換級的效率，這也就意味著需要使用更多數量的元器件，和更加棘手的散熱處理。

PI的極簡解決方案

為了應對兩級電源系統帶來的效率挑戰，PI推出了兩款新的產品：一是HiperPFS-5，內部集成了750V PoweiGaN氮化鎵功率開關，效率高達98.3%，采用了InSOP-T28F SMD功率封裝；二是節能型HiperLCS-2芯片組，該芯片組由HiperLCS2-HB（半橋功率器件）和HiperLCS2-SR（安全隔離器件）組成，其中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PI特有的FluxLink隔離控制鏈路，獨立半橋功率器件則采用了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，兩顆芯片均采用了InSOP-24封裝形式。

可以看得出來，PI的中功率電源解決方案采用的是PFC+LLC架構兩級解決方案，“LLC工作時其功率開關管半橋以諧振方式工作，兩個MOS管都能以零電壓模式開關（ZVS），可以將開通損耗減小到零，即器件兩端電壓為零時才開始開通開關管，電流才開始上升。這種工作方式中開通損耗的降低，就可以把兩個功率開關管封在一個IC中，僅利用PCB進行散熱。”

次級控制器則跨接在二次電源的初級和次級之間，通過FluxLink將次級的反饋信號傳送給功率變換器件。“這兩顆芯片一定要搭配工作，才能保證初級半橋開關管和次級輸出同步整流管的開關時序最優化。”他強調。

也就是說，PI的這個中功率電源解決方案包括了兩款IC，三顆芯片，一顆用來做PFC；另兩顆用來實現LLC架構。閻金光對媒體表示，采用這兩款芯片組合的解決方案，可以讓兩級電路中的每一級功率變換都大于98%，并且元器件的數量可以減少40%左右，空載功耗可以達到40mW。也就是說，即便是兩級變換電路，也能采用無散熱器設計方案。

接下來，閻金光還詳細解釋了這兩款芯片的獨特之處。

HiperPFS-5：元件數量極少的有源PFC

根據閻金光的介紹，HiperPFS-5將PI特有的PowiGaN開關與準諧振（QR）、變頻非連續導通模式（DCM）升壓PFC拓撲結構相結合，在不同輸出負載、輸入電壓和工頻周期內對開關頻率進行調整。QR模式的DCM控制可減低開關損耗并允許使用低成本的升壓二極管。

相較于傳統的臨界導通模式(CRM)升壓PFC電路，變頻引擎可將升壓電感尺寸減小50%以上。憑借低開關損耗和導通損耗（PowiGaN開關進一步增強了這一優勢）以及無損耗電流檢測，HiperPFS-5 IC可在整個負載范圍內提供恒定的高效率，效率高達98.3%。HiperPFS-5 IC在滿載時可提供高于0.98的功率因數(PF)。在輕載下，創新的功率因數增強(PFE)功能可減小輸入濾波電容對功率因數的影響，即使在20%負載下也能保持0.96的高PF，且空載功耗僅為38mW。

HiperPFS-5還具有以下優勢：在世界各地的許多地方，電網可能非常不穩定，經常導致電源元件出現過電壓損壞。由于750V PowiGaN開關的加持，HiperPFS-5 IC可以在高達305VAC的輸入電壓下保持高功率因數，并且可在輸入電壓驟升至460VAC期間連續工作。

另一個特點是用自供電，可節省外部供電電路。可使用后面的DCDC或另一個繞組給IC進行供電。在PFC電路中，市場上大多數方案使用充電泵，有三、四個元件。PI的方案可以實現漏極自供電，在內部就可以為控制器供電，省掉了一些元件，方案更加簡潔。

此外，HiperPFS-5 IC還集成了Power Integrations的X電容自動放電(CAPZero)功能，包括滿足安規要求的冗余引腳設計以及啟動時高壓自供電功能，而且所有這些都集成在一個超薄的InSOP-T28F SMD功率封裝當中，芯片高度只有1.9mm。

封裝中的裸焊盤電位為開關管的源極，在提供有效散熱的同時可降低EMI濾波方面的成本。數字式輸入電壓峰值檢測可確保提供可靠的性能，即使在不間斷電源(UPS)或發電機供電所產生的電壓出現畸變的情況下仍能保持穩定。

HiperLCS-2芯片組：提高LLC變換器效率并可減少40%的元件數

PI一直以來都比較擅長系統整合，將整個系統方案中的器件數量降低下來，這次也不例外，通過這兩款集成式的新品，大幅降低電源系統所需要的元件數量，從而降低整體系統的成本。

閻金光指出，HiperLCS-2芯片組可極大簡化LLC諧振功率變換器的設計和生產，與分立方案設計相比，這種高級程度的高效架構無需使用散熱片，并且可以減少高達40%的元件數量。

由于LLC拓撲架構能夠在全負載范圍內實現軟開關，降低開關損耗，滿足大功率、高功率密度的要求，因此一般中大功率電源中，DCDC變換級一般都會采用LLC拓撲架構，PI本次的新品也采用了該拓撲。

LLC工作的一個重要特性是在完全空載時以打嗝模式工作，這種方式會造成輸出紋波的增加，甚至是電壓失調。PI的控制引擎中專門對打嗝模式做了優化，三種打嗝模式可以保證即使在打嗝模式工作期間，輸出電壓仍然能夠維持在輸出穩壓范圍。而負載發生0-100%的跳變，仍然可以維持輸出電壓的穩定。

據閻金光介紹，PI集成的芯片組有兩個IC器件：HiperLCS2-HB （半橋器件）及HiperLCS2-SR（隔離控制器件）。其中采用的FluxLink反饋速度非常快，利于滿足動態負載變化劇烈的應用需求。FluxLink還可以將次級故障情況反饋至半橋功率器件，確保故障發生期間功率器件的安全可靠。

基于HiperLCS-2芯片組的電源設計可在400VDC輸入下實現低于50mW的空載輸入功率，并提供持續的高精度輸出，可以滿足全球最嚴格的空載和待機效率標準，比如PC應用鈦金（80 PLUS Titanium）標準。

HiperLCS-2器件可在整個負載范圍內維持恒定的高效率性能，其極低的自身功耗只需要使用FR4的PCB板直接進行散熱即可。在220W連續輸出功率、170%峰值功率能力的適配器設計當中無需使用散熱片。

此外，所有HiperLCS-2系列器件都具有自供電啟動功能，同時還能夠為使用該公司的HiperPFS IC實現的PFC功率級提供啟動偏置供電。次級側檢測的方式可保證在不同輸入電壓下、整個負載范圍內以及大批量生產時具有小于1%的調整精度。相較于傳統的光耦，使用Power Integrations的FluxLink技術進行安全隔離，其高速的數字反饋控制可提供更快的動態響應特性以及極佳的長期可靠性。

閻金光還特別指出，對于中功率應用，保護電路必須周全，否則會出現一些災難性故障。由于LLC是變頻操作，在205W 90K中心頻率，24V/8.5A輸出的效率可達98%左右。滿載時，小于5W的損耗可以使用PCB散熱；在負載比較輕時和重載時，高效的效率曲線比較恒定。

結語

芯片組包括兩套器件：HiperLCS2-HB（功率器件）和HiperLCS2-SR（安全隔離器件）。安全隔離器件只有一個型號，可根據不同頻率選擇不同版本，型號都是LSR2000C。根據不同輸出功率范圍，功率器件有三個選擇：LCS7260C、LCS7262C和LCS7265C，內部集成600V FREDFET，80W到220W連續輸出功率。取決于散熱條件，最大功率為270W，峰值功功率可達375W。

當然，HiperPFS-5除了可以與HiperLCS-2芯片組搭配使用外，也可以與InnoSwitch3組合使用，主要還是看具體的應用需求和成本要求。