图腾柱PFC专用数字控制器解决方案

随着节能标准和客户需求的不断提高，电源解决方案的效率和尺寸也在不断优化，设计紧凑高效的 PFC 电源是一个复杂的开发挑战。随着第三代半导体器件氮化镓和碳化硅的大范围应用，图腾柱无桥 PFC（TPPFC）应用获得极大的拓展。相比于传统的有桥 PFC 拓扑，图腾柱无桥 PFC 具有许多优点：它具有更低的开关损耗、更高的效率以及极具竞争力的小体积，能够满足严格的效率标准要求，适用于极致紧凑小巧的电源应用。然而，图腾柱无桥 PFC 电路由于没有桥堆的阻隔和保护，输入交流电直接施加在图腾柱拓扑的开关管上，电源系统非常容易受到过电流、浪涌过电压、输入电压跌落等故障的损害，很难满足安全性和各类保护功能要求，电源工程师们对图腾柱无桥 PFC 拓扑既喜欢又不敢靠近。

为了实现图腾柱无桥 PFC 的高效要求并克服它带来的各种挑战，慧能泰推出了业界首款图腾柱无桥 PFC 专用数字控制器 HP1010，其数字架构基于高速数字状态机架构，并集成了高性能模拟前端以及高速比较器，确保了图腾柱无桥 PFC 的高性能实时控制。HP1010 提供的逐周期限流保护 (CBC) 可有效避免因电源电压异常波动过程中引起的过电流问题，浪涌电压保护功能可以使在浪涌过电压尤其是正半周反向雷击、负半周正向雷击时快速关断慢速同步整流管，有效增强图腾柱无桥 PFC 的稳定性和可靠性。此外，HP1010 还集成了丰富的可编程保护功能，包括：输入电压过压/欠压保护、输出电压过压/欠压保护、输出反馈电压开路保护等，保护功能参数与使能均可独立配置。

HP1010 具备智能切换模式（CCM、DCM和Burst Mode），以适应不同负载条件下的需求，并实现良好的轻载效率。HP1010 支持开关频率延展功能，可以有效提升图腾柱无桥 PFC 电源系统的电磁干扰（EMI）性能。仅需通过图形用户界面（GUI）软件即可对芯片功能进行设定以满足新方案的需求，加速产品设计和上市时间。

作为业界首颗图腾柱无桥 PFC 数模混合专用控制器，灵活的设计特点，使其可广泛应用云计算/服务器电源、高性能计算机、5G/电信电源、工业电源、超高密度  (UHD)  电源等电源系统。

图一  HP1010 引脚定义和封装图

芯片特性

• 高灵活度数字 PWM, 灵活可选的 20 kHz – 200 kHz 工作频率

• 25 MHz ADC 高性能模拟前端

• 高性能数字控制环路

• 平滑的交流过零控制

• 开关频率延展改善 EMI

• CCM、DCM 以及 Burst 多模式工作

• 快速环路响应

• 支持高压直流输入

• RMS 功率计量

• 智能继电器控制，浪涌电流控制

• X 电容器放电控制

• 全面的故障保护，包括逐周期限流保护、浪涌过电压保护、输入电压跌落与恢复等

• 低功耗, 在睡眠模式（Sleep Mode）下芯片供电电流低至 1mA

• I2C 和 UART 接口，通过易于使用的图形用户界面 (GUI) 进行编程

• 4 mm x 4 mm QFN-24L 封装

HP1010 采用 4 mm x 4 mm QFN-24L 封装，集成高速 ADC、比较器等高性能模拟前端，外围电路精简，整体方案紧凑，占用 PCB 面积小，节省电路板空间，有效降低 BOM 成本。

图二  HP1010 典型应用电路图

采用基于 HP1010 的图腾柱无桥 PFC 参考设计可实现最高转换效率达 99%。

图三  600 W 图腾柱 PFC 评估板效率曲线

独有的图腾柱无桥 PFC 快管电流互感器采样电路，并配置可编程 cycle-by-cycle（CBC）硬件逐周期电流保护，并可以选择多次触发逐周期电流保护后关闭电源、自动复位或断电复位。通过图形用户界面（GUI）即可对芯片进行配置、实现功率板实时调试。

图四  HP1010 图形用户界面（GUI）

过零点可编程开环软起动：

过零点可编程配置各类参数，以适配不同参数的慢管，优化慢管中点电压释放过程。可编程继电器闭合延迟时间，可完美适配市面上不同性能的继电器。

图五  平滑的 AC 过零控制

交流输入电压跌落防电流倒灌：

得益于高速数字交流电压直接前馈，使占空比大信号实时跟踪输入电压变化，同时检测到输入电压跌落时 HP1010 立即关断图腾柱 PFC 快速同步整流管，有效防止输入电流倒灌，典型的波形如下图所示。

图六  (左)电源电压 45° 跌落持续 2 ms；(右)电源电压 0° 跌落持续 10 ms

抗雷击保护：

由于雷击波电压上升速度快，并随机地同相或反相地叠加到 AC 电压上，HP1010 控制器必须快速测出输入电压极性并做相应的控制调整，否则容易损坏后级电路。HP1010 对雷击的快速检测，能稳定而有效地应对这种特殊场景，减小或消除雷电波对开关管的冲击。下图为实测模拟雷击的响应波形：

图七  电源正半周负向雷击

图八  电源负半周正向雷击

PF 以及 THD 测试:

下图分别展示了 115 VAC、230 VAC 输入、全负载范围条件下，HP1010 的 PF、THD 测试结果。从曲线可以看出采用 HP1010 方案实现了较低的总谐波失真(THD)：

图九  600 W 评估板的 PF 曲线 

图十  600W 评估板的 THD 曲线

慧能泰同步推出了 HP1010 600 W 的评估板。该评估板基本参数如下：

•  输入电压范围：90 ~ 264 VAC

•  输出电压: 400 VDC

•  输出功率：600 W

•  典型效率：98.7%

图十一 采用 HP1010的 600 W 评估板

HP3600 是慧能泰 HySwitch 产品系列下的一款双通道隔离驱动器，与 HP1010 搭配可形成图腾柱 PFC 的系统解决方案。

图十二 HP3600 引脚定义和封装图

HP3600 具有峰值 4 A 灌电流和 6 A 拉电流，150 kV/μs 高共模瞬变抗扰度 CMTI 以及低至 48 ns 的传播延迟。VDDA/VDDB 最高支持 33 V；VDDI 支持 3 至 18 V 宽范围输入，可以适应模拟和数字控制器接口。所有电源引脚都具备欠压锁定 UVLO 保护功能，保护门限为 3 V，适用于 GaN MOSFET 的隔离驱动应用。

HP1010+HP3600 方案的推出，是慧能泰对极致紧凑小巧的电源应用里程碑式的创新，未来我们将继续坚持“芯智慧 芯能源，共建绿色未来”的企业理念，提供更高效，节能的电源应用产品，助力双碳目标的实现，对推进经济社会全面绿色发展做贡献！

关于慧能泰半导体

深圳慧能泰半导体科技有限公司是一家专注于智慧能源控制技术的公司，主要面向智能快充和数字能源领域，提供高性能数模混合芯片产品。公司总部设立在深圳前海，同时在上海、浙江杭州、美国加州设有研发中心。慧能泰的核心研发团队来自国内外顶尖半导体公司，拥有强大的研发创新能力。公司现已获多项授权专利，拥有独立自主知识产权，并于2020年被评为“高新技术企业”，2023年获评国家级专精特新“小巨人”企业。

目前，慧能泰已完成了围绕USB Type-C生态链的整体产品布局，开发并量产了多款产品：供电端的多系列PD Source协议芯片，受电端的高性能PD Sink(PD 诱骗芯片)、Type-C端口控制器（CC Logic），线缆端的USB eMarker（电子标签芯片）。成立以来，慧能泰连续推出多款业界领先的产品并广受市场欢迎。公司芯片出货量2亿颗，标杆性客户有联想、小米、三星、HP、贝尔金和努比亚等。同时，慧能泰也致力于提高能源利用效率、研究能源控制技术，借助自身的技术研发优势，面向ICT（通信服务器）、数据中心、光伏逆变器、储能等工业应用，研发数字电源控制芯片、高压驱动芯片、电源转换芯片和模块等产品。

慧能泰半导体肩负着“芯智慧 芯能源，共建绿色未来”的使命，立志成为业界领先的智慧能源控制技术供应商。

审核编辑：汤梓红