HP1010 | 业界首款图腾柱 PFC 专用数字控制器震撼来袭!

2023-12-01 03:12

本文主要是介绍HP1010 | 业界首款图腾柱 PFC 专用数字控制器震撼来袭!,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

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。

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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。

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图二  HP1010 典型应用电路图

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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%

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图三  600 W 图腾柱 PFC 评估板效率曲线

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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。

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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。

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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。

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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:

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图七  电源正半周负向雷击

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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):

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图九  600 W 评估板的 PF 曲线 

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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%

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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。

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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!

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