作者：Aditya Kulkarni Power Integrations 高階產品營銷經理
許多高效率電源在設計時可以使用有源鉗位反激（ACF）變換器或LLC開關IC來實現其設計目標。在實際設計時，究竟應該選擇哪一種呢？一些設計工程師會根據個人偏好、熟悉程度以及在某些特別應用當中過去常用的歷史經驗來做出相應的選擇。然而，當面對兩種或更多可能的解決方案時，最佳方案的選取則取決於合理的工程推理、設計要求以及產品效率、尺寸、BOM、功率密度、設計簡易性的優先級別以及其它影響設計的一些因素。
Power Integrations （PI）面向電視機、顯示器和大功率充電器應用提供全系列高度整合的反激式變換器，這些器件均採用超薄封裝。我們還提供一系列新的LLC開關IC，與我們的新型HiperPFS™-5功率因數校正（PFC）前級IC搭配使用時，可在相同的應用當中以極高的效率提供高達240W的功率輸出。
但是對於某種特定的設計應用，ACF和LLC，哪種方案更加適合呢？
終極反激方案
隔離反激式拓撲是最容易實現的。Power Integrations提供許多反激式控制器IC產品系列，其中包括InnoSwitch平臺。InnoSwitch IC的關鍵創新之處是採用Power Integrations獨特的FluxLink™磁感應耦合技術，該技術的運用不僅能實現精確的高效能次級反饋控制，而且還具備通常只有初級反饋控制才具有的線路簡單及元件數目少的優勢。而高效的同步整流技術的應用，可以保證整個負載範圍內均提供極高的效率，同時具有極低的空載功耗。由於FluxLink的使用，線路中無需光耦器，可以保證初級和次級同步整流開關管協同工作，不會發生交越導通現象，進而大大增加了可靠性。
Power Integrations提供豐富多樣的InnoSwitch反激式IC，內部整合各種不同電壓的矽、氮化鎵（GaN）以及用於汽車應用的碳化矽（SiC）功率開關。對於需要透過反激方案實現最佳效率和最小尺寸的設計工程師來說，可以採用InnoSwitch4-CZ和ClampZero™有源鉗位IC（均採用GaN開關）以及HiperPFS-5 PFC級，設計出體積極小的可量產銷售的USB PD移動裝置充電器（見圖2）。具體詳見Power Integrations的參考設計DER-957。
圖2：超緊湊且高效率的PFC + 反激式功率變換方案，採用
HiperPFS-5以及InnoSwitch4-CZ和MinE-CAP技術
InnoSwitch4-CZ產品系列採用薄型InSOP-24D封裝，內部集成了一個750V PowiGaN開關、初級和次級控制器、ClampZero介面、同步整流以及符合安全標準的反饋鏈路。高達140kHz的穩態開關頻率降低了變壓器尺寸，進一步提高功率密度。相較於其它有源鉗位反激方案，InnoSwitch4-CZ和ClampZero晶片組可提供高達95%的效率，並在不同輸入電壓、系統負載和所選輸出電壓下保持極高的效率。這是透過對具有零電壓開關特性的主功率開關以及有源鉗位開關，進行變頻的非互補模式的控制來實現的。這種控制方式同時支援連續和非連續導通工作模式，可極大地提高設計靈活性，並在所有工作條件下實現效率最大化。這些反激式開關IC具有優異的恆壓/恆流精度，且不受外圍元件引數變化的影響。在保證輸入電壓檢測、安全及保護功能的前提下，其空載功耗小於30mW。
2021年，全球移動裝置充電專家Anker宣佈其Nano II系列USB C充電器基於InnoSwitch4-CZ和ClampZero IC設計而成，並且表示該晶片組“具有極為出色的整合度和效率水平，是Nano II系列實現超緊湊設計的關鍵所在。”
可實現極高效率的LLC方案
上述設計方案已經非常緊湊精良，那麼客戶還會提出哪些更高的需求呢？如何滿足這些需求？答案是更高的效率水平，可藉助Power Integrations的HiperLCS™-2晶片組，一種半橋式諧振開關或LLC拓撲架構來實現。這種雙晶片解決方案可以讓設計工程師輕鬆打造出效率極高、超緊湊的電源和介面卡設計，以便在市場競爭中獲得關鍵優勢。
這種方案使用諧振開關來消除開關轉換期間發生的損耗，甚至可以比最佳的反激式設計所實現的效率還要高出至少2%。HiperLCS-2雙晶片解決方案由一個隔離器件和一個獨立半橋功率器件組成。其中的隔離器件中集成了高頻寬的LLC控制器、同步整流驅動器和FluxLink隔離控制鏈路；而獨立的半橋功率器件則採用Power Integrations獨特的600V FREDFET（快恢復外延型二極體FET），可提供無損耗電流檢測，並且還整合上管和下管驅動電路。這兩款器件均採用薄型InSOP-24封裝。相較於分立式LLC設計，這種高整合度的高效架構無需使用散熱片，不同器件之間的引數容差可忽略不計，並且可減少高達40%的元件數量。
基於新型HiperLCS-2晶片組的電源設計可提供250W的輸出功率，變換效率超過98%。可在400VDC輸入下實現低於50mW的空載輸入功率，而且即使在空載時也能提供持續高精度輸出，輕鬆符合全球最嚴格的空載和待機效率標準。HiperLCS-2器件可在整個負載範圍內維持恆定的高效率效能，並且功耗極低，只需透過FR4 PCB板直接傳導散熱，在連續輸出功率高達220W的介面卡設計中無需散熱片，並且能夠短時提供170%的峰值輸出功率。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、整個負載範圍內以及大批次生產時具有小於1%的調整精度。相較於傳統的光耦，使用Power Integrations的FluxLink技術進行的安全隔離高速數字反饋控制，可提供更快的動態響應和更優異的長期可靠性。
具體電路圖如圖3所示。DER-672為相應的一款參考設計。
圖3：使用Power Integrations HiperLCS-2晶片組的高效LLC設計
HiperLCS-2控制引擎還提供漸進式脈衝串模式和控制技術，不會因為在待機期間為了抑制更高的輸出紋波，而採用更多的輸出濾波元件。
如果以實現極高的效率為最終目標，而不考慮設計簡易性、可生產性及具體操作等其他因素，那麼LLC諧振變換器無疑是最佳的選擇。
最緊湊設計與最高效率之間的權衡
250W只是LLC變換器起步功率，它可用於高達數kW的應用。而另一方面，反激式設計在250W時已接近其極限。就變壓器尺寸和初級開關電流（因GaN開關具有超低RDS（ON）而有所緩解）要求而言，輸出功率若要超過250W，可能需要不同種類的反激方案。後續設計和設計可移植性的需求是工程師在確定採用哪種平臺時必須考慮的另一個因素。
Power Integrations的反激式和LLC解決方案都非常高效且BOM數量較少。
如果要實現極致的小型化和最低的BOM數，可以選擇反激式InnoSwitch4-CZ設計。對於具有非常寬輸出範圍（5V、9V、12V、20V，甚至28V）的USB PD充電器和介面卡應用，反激方案仍然是最常見的選擇。
為獲得最佳效率，則可選擇LLC方案，即HiperLCS-2和HiperPFS-5結合使用。
簡而言之，如果想要具有極高效率的方案，請選擇HiperLCS-2和HiperPFS-5；如果想要最易於設計、最緊湊和BOM數極少的方案，請選擇InnoSwitch4-CZ、HiperPFS-5和ClampZero。
補充內容：功率因數校正
許多國家和地區要求額定輸入功率超過75W的電源，必須對輸入電流加以校正，使其波形與相位關係與正弦輸入電壓相近。這一規定是為了防止輸電線產生功率損耗和干擾連線到交流電源的其他裝置。這種調整稱為功率因數校正（PFC）。
在今年德克薩斯州休斯頓舉行的APEC大會上，Power Integrations推出了一款新的功率因數校正（PFC） IC，HiperPFS-5系列準諧振（QR） DCM PFC IC。其內部集成了750V PowiGaN™氮化鎵開關，可在不使用散熱片的情況下提供高達240W的輸出功率，實現優於0。98的功率因數。其最高效率可達98。3%。這種前級晶片支援110/220VAC輸入，並將輸入變換為400V的直流輸出母線電壓。
圖1：使用HiperPFS-5可設計出具有極高整合度的QC DCM升壓PFC電路，
並且HiperPFS-5是業界首款內建PowiGaN升壓開關的IC
Power Integrations的HiperPFS-5 PFC IC使用創新的準諧振（QR）非連續導通模式（DCM）控制技術，可在不同負載、輸入電壓和每個工頻週期內對開關頻率進行調整。QR模式的DCM控制可降低開關損耗，並允許使用更小的PFC電感和成本更低的升壓二極體。相較於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。低開關和導通損耗（因PowiGaN開關而進一步降低）再加上無損耗電流檢測，使HiperPFS-5 IC能夠在整個負載範圍內提供非常高的變換效率。而且空載功耗僅為38mW。
對於世界範圍內因市電供電不穩定而可能導輸入電壓浪湧的地區，耐用的750V GaN開關也非常有用。當使用傳統的矽MOSFET時，輸入電壓升高可導致元件故障。HiperPFS-5 IC可以在不同輸入電壓（最高可達305VAC）下保持高功率因數，並且可在輸入電壓驟升至460VAC期間連續工作。此外，HiperPFS-5 IC還集成了Power Integrations的X電容自動放電（CAPZero™）功能，包括滿足安全法規所需的冗餘引腳以及高壓自啟動 - 所有這些都整合在一個薄型InSOP™-T28F表面貼裝功率封裝中。
透過將HiperPFS-5 IC與Power Integrations的反激式或LLC開關IC搭配使用，可將直流母線電壓變換為所需的24V、19V、12V、5V等輸出。因此，設計工程師能夠輕鬆滿足最嚴格的效率標準並省去散熱片，同時將物料清單縮減一半，為電視機、顯示器、遊戲機、電腦一體機和家電應用設計出精緻小巧的超快速充電器和大功率USB PD介面卡。