XDPS2221 PFC + Hybrid-Flyback组合控制器：高效电源解决方案深度剖析

引言

在电源设计领域，不断追求更高的效率、更小的体积和更强的功能集成是永恒的目标。Infineon的XDPS2221 PFC + Hybrid-Flyback组合控制器正是顺应这一趋势的杰出代表。它将多模式AC - DC PFC控制器和多模式DC - DC混合反激控制器集成于一体，为电源设计带来了全新的可能性。本文将深入探讨XDPS2221的各项特性、功能以及在实际应用中的设计要点。

文件下载：Infineon Technologies XDPS2221 PFC +混合反激式组合控制器.pdf

产品亮点

高度集成与先进拓扑

XDPS2221采用DSO - 14 (150mil)封装，集成了PFC升压和DC - DC混合反激功能。其新颖的ZVS混合反激（非对称半桥）拓扑结构，能够实现超高的系统效率，大大减少了能量损耗。同时，集成的栅极驱动器支持GaN和Si开关，为不同的应用场景提供了更多的选择。

高效的启动与节能模式

内置的600V高压启动单元可实现快速的VCC充电和主动X电容放电，满足IEC 62368 - 1安全标准。在轻载情况下，通过突发模式操作控制，可将空载待机功耗降至最低。自适应PFC总线电压和PFC启用/禁用控制功能，能够根据不同的负载情况动态调整，最大化平均和轻载效率。

环保与可靠性

该控制器采用无铅引脚镀层，符合无卤（根据IEC61249 - 2 - 21）和RoHS标准，既环保又能保证产品的长期可靠性。

引脚配置与功能

XDPS2221的引脚配置丰富，每个引脚都承担着特定的功能。例如，VCC引脚为IC供电，启动时通过HV引脚从AC获取电源，正常运行时则由混合反激级的辅助绕组供电；ZCD引脚用于混合反激零交叉检测，在低侧栅极驱动器关闭后和突发模式的暂停阶段提供零交叉检测功能。详细的引脚功能如下表所示：	Symbol	Pin	Type	Function
PFCGD	1	0	PFC gate driver This pin drives the PFC transistor via a gate resistor.
CS	2	I	Hybrid-flyback current sense Input pin for current sensing during the hybrid-ilyback high-side gate driver turn-on phase.
VCC	3	I	Power supply This pin supplies the IC. During start-up VCC is supplied from the AC via the HV-pin, while during normal operation VCC is supplied from the auxiliary winding to the hybrid-flyback stage.
GND	4	0	Ground level of theIC forsupply voltage,gate drive and sense signals.
ZCD	5	I	Hybrid-flyback zero crossing detection This pin provides zero crossing detection after low -side gate driver turned off and during pause phase in burst mode. Furthermore the reflected output voltage at the auxiliary winding can be measured during low-side gate driver turn-on phase.
PFCVS	6	I	PFC bus voltage sense This pin is connected to a high impedance resistor divider from the PFC controller output for bus voltage sensing.
HV	7	I	High voltage input The HV pin is connected to the input AC voltage.An internal HV startup- cell is used for initial VCC charging, AC monitoring and X-capacitor discharge.
MFIO	8	1	Muti-functional Input Output This pin is connected to GND through an external NTC resistor used to detect ambient temperature.Furthermore,UART communication for parameter configuration and failure mode reporting is provided by this pin.
FB	9	I	Feedback This pin receives feedback from the secondary side via an optocoupler.
PFCCS	10	I	PFC current sense and PFC zero crossing detection This pin is configured for PFC current sensing in combination with zero crossing detection of the PFC choke current.
LSGD	11	0	Hybrid-flyback low-side gate driver This pin drives the low-side transistor of the hybrid-flyback half-bridge via a resistor.
HSGND	12	I	High-side Ground Ground reference node for hybrid-flyback floating high-side driver domain.
HSVCC	13	I	High-side power supply Power supply input for hybrid-flyback floating high-side driver domain.
HSGD	14	O	High-side gate driver This pin drives the high-side transistor of the hybrid-flyback half-bridge from the floating driver domain via a resistor.

功能描述

电源与高压启动单元管理

1. VCC电容充电与启动序列：在启动时，内部HV启动单元通过HV引脚为VCC电容充电。当VCC引脚电压超过阈值VCCon时，HV启动单元关闭，IC开始启动。混合反激操作需要满足一系列条件才能启动，如两级brown - in条件、无输入过压、反馈信号超出调节范围和无过温条件等。
2. Bang - bang模式操作：在brown - in阶段和保护模式下，采用Bang - bang模式操作，确保VCC电压保持在较高水平，以便在条件满足时快速激活。
3. 突发模式下的VCC供电：在突发模式下，IC进入节能模式，可配置使用HV启动单元为VCC供电，以确保VCC电压稳定。
4. X电容放电：该控制器支持AC丢失检测和主动X电容放电功能，可根据配置启用或禁用，满足安全标准的要求。

PFC控制

1. 组合电流感测与零交叉检测功能：PFC阶段在PFCCS引脚实现了组合电流感测（CS）和零交叉检测（ZCD）功能。通过外部电路和滞后比较器进行谷值检测，实现准谐振模式（QRM）操作，减少PFC MOSFET的开关损耗。
2. 多模式操作与频率规律：PFC控制器提供多种操作模式，包括准谐振模式（QRM）和低功率模式，根据负载和输入电压的变化动态调整开关频率和谷值数量，优化效率和EMI性能。
3. PFC总线电压感测与调节：通过PFCVS引脚感测PFC输出电压，采用PIT1控制器进行调节，动态设置总线电压目标值和欠压保护水平，确保总线电压稳定。
4. PFC软启动：每次PFC启用时，都会进行软启动，以减少功率MOSFET、二极管和电感器的开关应力。

混合反激控制

1. PWM控制方案：根据负载、输出电压和总线电压的变化，调整脉冲宽度调制（PWM）控制方案，确保低侧和高侧开关的ZVS操作。包括连续谐振模式（CRM）控制方案和零电压谐振谷值开关（ZV - RVS）控制方案。
2. 输出控制：采用初级峰值电流控制，通过控制磁化电流来控制输出电流，实现与Vbus和Vout无关的输出电流控制。同时，还实现了ZV操作在宽Vbus电压范围和宽输出电压范围内的保持。
3. Vout启动控制：混合反激启动需要满足一定条件，启动时先对HSVCC引脚的自举电容进行预充电，然后通过ZV - RVS开关周期逐步提升输出电压。
4. 频率抖动：在CRM操作且总线电压高于可配置阈值时，启用开关频率抖动功能，通过调制磁化电流的峰 - 峰值来实现。

组合控制功能

1. 突发模式控制：在轻载时，IC进入突发模式，通过混合反激控制器控制PFC和混合反激的同步操作，减少平均开关和偏置损耗。
2. PFC启用/禁用控制：根据负载和混合反激阶段的需求，通过滞回比较器决定PFC的启用和禁用。
3. 可变总线电压目标水平：PFC总线电压目标值根据操作条件动态调整，由混合反激阶段和PFC本身共同决定，以实现混合反激阶段在宽输出电压范围内的最佳操作。

保护功能

XDPS2221提供了丰富的保护功能，包括欠压锁定、过压保护、过流保护、启动超时保护等。保护模式分为停用IC、自动重启模式和锁存模式，可根据不同的情况进行配置，确保系统的可靠性和稳定性。

配置与电气特性

可配置参数与功能

通过Infineon提供的GUI工具dpVision，可对控制器的各种参数进行编程配置，包括系统设置、电源管理、启动、混合反激操作、PFC操作和保护等方面的参数。

电气特性

详细的电气特性包括绝对最大额定值、封装特性、工作条件和各项参数的典型值和范围，为设计人员提供了准确的参考数据。例如，HV引脚的电压范围为 - 0.3V至600V，VCC引脚的电压范围为 - 0.5V至26V等。

应用与总结

XDPS2221适用于超高功率密度充电器/适配器等应用场景，能够满足USB - PD应用中宽输出电压（最高28V）的需求。其高度集成的设计、先进的拓扑结构和丰富的功能，为电源设计带来了更高的效率、更小的体积和更强的可靠性。在实际设计中，设计人员需要根据具体的应用需求，合理配置参数，充分发挥该控制器的优势。同时，要注意电气特性和保护功能的应用，确保系统的安全稳定运行。

总之，XDPS2221 PFC + Hybrid - Flyback组合控制器是一款性能卓越的电源控制器，为电源设计领域提供了一种高效、可靠的解决方案。希望本文的介绍能够帮助电子工程师更好地理解和应用该控制器，设计出更优秀的电源产品。

大家在使用XDPS2221进行设计时，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的经验呢？欢迎在评论区分享交流。