效率碾压LLC+PFC？实测92.8%！PI发布全新GaN反激IC

电子发烧友网报道（文/莫婷婷）自1998年以来，Power Integrations（以下简称PI）标志性的TOPSwitch产品在过去的二十多年里，已经进入各种家电产品中。数据显示，全球每个普通家庭平均拥有两颗TOPSwitch芯片。这款集成度极佳的反激式开关IC，奠定了PI离线式电源设计的基石。
 
随着不断的技术迭代，PI在近期推出TOPSwitchGaN™反激式IC系列产品，结合了PowiGaN™氮化镓技术与TOPSwitch架构，将反激式电源转换器的功率范围扩展至 440W，更在许多高功率应用场景下实现了无需散热片的设计，极大地简化了系统架构，缩短了设计周期，并降低了总成本。
 
 
不再受限于250W功率瓶颈，空载功耗<50mW
在电源设计中，功率密度与拓扑结构的选择始终是一道难题。PI资深技术培训经理Jason Yan表示，基于传统硅MOSFET的反激方案，受限于开关损耗和热管理，其功率输出通常被限制在250W以内。
 
 
 
为了突破功率瓶颈，工程师们在过去几十年间主要依赖三种方案：
 
一是基于FET的反激方案：通常用于20W-200W范围，结构简单但功率受限。例如PI此前发布的TinySwitch 5集成了725V 功率MOSFET，输出功率提升到200W。
 
二是当输出功率大于250W后，就会采用半桥电路，虽然功率提升，但元件数增多，设计复杂。
 
三是谐振变换器（如LLC）：用于更高效率或更高功率需求，但成本高昂且控制复杂，且有散热挑战。
 
GaN技术的出现拓展了反激式电源的功率范围，PI最新的TOPSwitchGaN IC通过集成800V PowiGaN开关，将反激拓扑的功率范围扩展到了400W以上。这意味着，原本必须采用半桥或LLC谐振拓扑的高功率应用，现在仅需一颗IC即可解决。
 
Jason Yan介绍，TOPSwitchGaN IC有以下五大核心技术优势：
 
一是集成了800V PowiGaN开关，能够实现极致的热管理。传统的硬开关反激拓扑在高功率下会产生巨大的开关损耗，TOPSwitchGaN利用氮化镓极低的开关损耗特性，可以做到50W至200W的功率段，客户可以选择无散热片的设计。
 
在300W-400W的高功率段，可以采用PCB散热方式或安装散热片进行散热。eSOPTM-12封装采用薄型表面贴装的封装型式，适合超薄设计，支持波峰焊或回流焊，通过源极引脚和裸焊盘，利用PCB板进行散热；eSIPTM-7封装是立式封装形式，使用夹片可简化散热片的安装，可提供更大输出功率。
 
 
 
 
 
二是专有的控制方式，可以实现230VAC、160W负载时效率达92.8%。相比旧款 TOPSwitch的空载功耗约 80-100mW，控制电流为毫安级，新款芯片结合控制器革新，将空载功耗降低至 50mW 以下。此外通过导通时间延长技术 ，提高了低输入电 压情况下的功率输出能力，以及故障检测等特点。
 
三是TOPSwitchGaN IC的开关频率可达150kHz，这一设计为工程师提供了极大的设计裕量。在EMI（电磁干扰）与变压器尺寸之间，工程师可以根据需求灵活进行权衡，既可以选择小体积的高频设计，也可以选择EMI更易处理的低频设计。
 
四是快速的动态响应特性。在动态响应方面，TOPSwitchGaN IC采用传统的二极管整流，因为同步整流的优势不明显针对特定应用场景（如高电压、小电流或对成本敏感的应用）优势不够明显。沿用成熟的光耦反馈方式，并且在内部进行了优化。
 
五是芯片内部集成了高压电流源供电技术，无需外围启动元件，利用漏极电流源即可启动，极大地简化了电路设计。

 
 
与LLC谐振变换器效率随负载剧烈波动不同，TOPSwitchGaN IC能够在整个负载范围（10%—100%）内保持效率恒定，变化幅度小于1%。此外，其输出电压精度可达±0.5%，这意味着在批量生产中，产线的一致性极佳，通常无需额外增加二次稳压电路，从而降低了系统成本。
 
 
效率可达92%，碾压LLC+PFC
随着电动自行车、无人机、工业自动化设备的普及，市场对50W至400W功率段的电源需求激增。特别是电动自行车领域，为了增加续航里程，电池容量和母线电压不断提升，这就要求充电器必须具备更高的功率密度和更宽的输出电压范围。
 
在这一功率段，LLC谐振变换器长期以来被视为“高效率”的代名词。然而，TOPSwitchGaN IC的出现，重新定义了这一领域的竞争格局。
 
反激式变换器拓扑结构简单，元件数目少，只需要一个功率开关，无需PFC变换级，简单且易于实现多路输出的设计，只不过输出功率受到初级开关的限制，适用于低至中功率应用。
 
LLC属于软开关技术，虽然在固定电压下效率极高，但它需要两个功率开关管，且必须配合PFC级和辅助供电电源使用。其设计和生产过程复杂，且对元件参数极其敏感，适合单路输出。
 
而在实际工程应用中，TOPSwitchGaN IC的综合效率已可超越配备PFC级的LLC变换器。Jason Yan给出一组对比数据：
 
无前级PFC的LLC方案虽然在高输入电压（如 230VAC 以上）时，其效率略高于 TOPSwitchGaN，但其在低输入电压（如 90VAC - 115VAC）下无法正常工作。
 
LLC+PFC完整方案一旦计入 PFC 级的损耗（95% x 97% 的级联效率），LLC 方案的整体系统效率会大幅下降，甚至在大部分电压范围内都低于 TOPSwitchGaN 方案。
 
而TOPSwitchGaN IC方案在整个交流输入电压范围（90VAC 至 265VAC）内，效率呈现出随电压升高而稳步提升的趋势，并在 230VAC 和 265VAC 时达到92%。
 
 
 
目前，PI已经打造了覆盖20W到400W功率段的完整解决方案。
 
20W - 50W的低功率段可以使用TinySwitch 1-4系列，适合对成本敏感且功率要求不高的应用。
 
50W - 200W中功率交叉段有较多的选择，如果工程师偏向追求极致的结构简化，无散热片设计，可以使用TOPSwitchGaN，如果是成本敏感型或传统设计可以使用TinySwitch-5，但是在100W-200W功率段工作，须外接散热片。
 
那在200W - 400W的高功率阶段就可以使用TOPSwitchGaN。且采用了GaN器件之后，电源的鲁棒性会更好，更容易耐受过压冲击。
 
长期以来，50W至400W的高功率电源市场主要由半桥和LLC谐振拓扑主导，但这些方案元件繁多、设计复杂且成本高昂。PI发布的TOPSwitchGaN  IC系列产品，凭借集成的PowiGaN氮化镓技术，不仅填补了传统反激与复杂谐振电路之间的市场空白，也提升了在宽电压范围内的综合效率，从而在电动自行车、工业设备等新兴领域，为工程师提供了更简单、更具成本效益的高性能替代方案。