隨著節能標準和客戶需求的不斷提高，電源解決方案的效率和尺寸也在不斷優化，設計緊湊高效的 PFC 電源是一個復雜的開發挑戰。隨著第三代半導體器件氮化鎵和碳化硅的大范圍應用，圖騰柱無橋 PFC（TPPFC）應用獲得極大的拓展。相比于傳統的有橋 PFC 拓撲，圖騰柱無橋 PFC 具有許多優點：它具有更低的開關損耗、更高的效率以及極具競爭力的小體積，能夠滿足嚴格的效率標準要求，適用于極致緊湊小巧的電源應用。然而，圖騰柱無橋 PFC 電路由于沒有橋堆的阻隔和保護，輸入交流電直接施加在圖騰柱拓撲的開關管上，電源系統非常容易受到過電流、浪涌過電壓、輸入電壓跌落等故障的損害，很難滿足安全性和各類保護功能要求，電源工程師們對圖騰柱無橋 PFC 拓撲既喜歡又不敢靠近。

為了實現圖騰柱無橋 PFC 的高效要求并克服它帶來的各種挑戰，慧能泰推出了業界首款圖騰柱無橋 PFC 專用數字控制器 HP1010，其數字架構基于高速數字狀態機架構，并集成了高性能模擬前端以及高速比較器，確保了圖騰柱無橋 PFC 的高性能實時控制。HP1010 提供的逐周期限流保護 (CBC) 可有效避免因電源電壓異常波動過程中引起的過電流問題，浪涌電壓保護功能可以使在浪涌過電壓尤其是正半周反向雷擊、負半周正向雷擊時快速關斷慢速同步整流管，有效增強圖騰柱無橋 PFC 的穩定性和可靠性。此外，HP1010 還集成了豐富的可編程保護功能，包括：輸入電壓過壓/欠壓保護、輸出電壓過壓/欠壓保護、輸出反饋電壓開路保護等，保護功能參數與使能均可獨立配置。

HP1010 具備智能切換模式（CCM、DCM和Burst Mode），以適應不同負載條件下的需求，并實現良好的輕載效率。HP1010 支持開關頻率延展功能，可以有效提升圖騰柱無橋 PFC 電源系統的電磁干擾（EMI）性能。僅需通過圖形用戶界面（GUI）軟件即可對芯片功能進行設定以滿足新方案的需求，加速產品設計和上市時間。

作為業界首顆圖騰柱無橋 PFC 數模混合專用控制器，靈活的設計特點，使其可廣泛應用云計算/服務器電源、高性能計算機、5G/電信電源、工業電源、超高密度 (UHD) 電源等電源系統。

圖一 HP1010 引腳定義和封裝圖

芯片特性

?高靈活度數字 PWM, 靈活可選的 20 kHz – 200 kHz 工作頻率

?25 MHz ADC 高性能模擬前端

?高性能數字控制環路

?平滑的交流過零控制

?開關頻率延展改善 EMI

?CCM、DCM 以及 Burst 多模式工作

?快速環路響應

?支持高壓直流輸入

?RMS 功率計量

?智能繼電器控制，浪涌電流控制

?X 電容器放電控制

?全面的故障保護，包括逐周期限流保護、浪涌過電壓保護、輸入電壓跌落與恢復等

?低功耗, 在睡眠模式（Sleep Mode）下芯片供電電流低至 1mA

?I2C 和 UART 接口，通過易于使用的圖形用戶界面 (GUI) 進行編程

?4 mm x 4 mm QFN-24L 封裝

HP1010 采用 4 mm x 4 mm QFN-24L 封裝，集成高速 ADC、比較器等高性能模擬前端，外圍電路精簡，整體方案緊湊，占用 PCB 面積小，節省電路板空間，有效降低 BOM 成本。

圖二 HP1010 典型應用電路圖

采用基于 HP1010 的圖騰柱無橋 PFC 參考設計可實現最高轉換效率達99%。

圖三 600 W 圖騰柱 PFC 評估板效率曲線

獨有的圖騰柱無橋 PFC 快管電流互感器采樣電路，并配置可編程 cycle-by-cycle（CBC）硬件逐周期電流保護，并可以選擇多次觸發逐周期電流保護后關閉電源、自動復位或斷電復位。通過圖形用戶界面（GUI）即可對芯片進行配置、實現功率板實時調試。

圖四 HP1010 圖形用戶界面（GUI）

過零點可編程開環軟起動：

過零點可編程配置各類參數，以適配不同參數的慢管，優化慢管中點電壓釋放過程。可編程繼電器閉合延遲時間，可完美適配市面上不同性能的繼電器。

圖五 平滑的 AC 過零控制

交流輸入電壓跌落防電流倒灌：

得益于高速數字交流電壓直接前饋，使占空比大信號實時跟蹤輸入電壓變化，同時檢測到輸入電壓跌落時 HP1010 立即關斷圖騰柱 PFC 快速同步整流管，有效防止輸入電流倒灌，典型的波形如下圖所示。

圖六 (左)電源電壓 45° 跌落持續 2 ms；(右)電源電壓 0° 跌落持續 10 ms

抗雷擊保護：

由于雷擊波電壓上升速度快，并隨機地同相或反相地疊加到 AC 電壓上，HP1010 控制器必須快速測出輸入電壓極性并做相應的控制調整，否則容易損壞后級電路。HP1010 對雷擊的快速檢測，能穩定而有效地應對這種特殊場景，減小或消除雷電波對開關管的沖擊。下圖為實測模擬雷擊的響應波形：

圖七 電源正半周負向雷擊

圖八 電源負半周正向雷擊

PF 以及 THD 測試:

下圖分別展示了 115 VAC、230 VAC 輸入、全負載范圍條件下，HP1010 的 PF、THD 測試結果。從曲線可以看出采用 HP1010 方案實現了較低的總諧波失真(THD)：

圖九 600W 評估板的 PF 曲線

圖十 600W 評估板的 THD 曲線

慧能泰同步推出了 HP1010 600 W 的評估板。該評估板基本參數如下：

? 輸入電壓范圍：90 ~ 264 VAC

? 輸出電壓: 400 VDC

? 輸出功率：600 W

? 典型效率：98.7%

圖十一采用 HP1010的 600W 評估板

HP3600 是慧能泰 HySwitch 產品系列下的一款雙通道隔離驅動器，與 HP1010 搭配可形成圖騰柱 PFC 的系統解決方案。

圖十二 HP3600 引腳定義和封裝圖

HP3600 具有峰值 4 A 灌電流和 6 A 拉電流，150 kV/μs 高共模瞬變抗擾度 CMTI 以及低至 48 ns 的傳播延遲。VDDA/VDDB 最高支持 33 V；VDDI 支持 3 至 18 V 寬范圍輸入，可以適應模擬和數字控制器接口。所有電源引腳都具備欠壓鎖定 UVLO 保護功能，保護門限為 3 V，適用于 GaN MOSFET 的隔離驅動應用。

HP1010+HP3600 方案的推出，是慧能泰對極致緊湊小巧的電源應用里程碑式的創新，未來我們將繼續堅持“芯智慧 芯能源，共建綠色未來”的企業理念，提供更高效，節能的電源應用產品，助力雙碳目標的實現，對推進經濟社會全面綠色發展做貢獻！

關于慧能泰半導體

深圳慧能泰半導體科技有限公司是一家專注于智慧能源控制技術的公司，主要面向智能快充和數字能源領域，提供高性能數模混合芯片產品。公司總部設立在深圳前海，同時在上海、浙江杭州、美國加州設有研發中心。慧能泰的核心研發團隊來自國內外頂尖半導體公司，擁有強大的研發創新能力。公司現已獲多項授權專利，擁有獨立自主知識產權，并于2020年被評為“高新技術企業”，2023年獲評國家級專精特新“小巨人”企業。

目前，慧能泰已完成了圍繞USB Type-C生態鏈的整體產品布局，開發并量產了多款產品：供電端的多系列PD Source協議芯片，受電端的高性能PD Sink(PD 誘騙芯片)、Type-C端口控制器（CC Logic），線纜端的USB eMarker（電子標簽芯片）。成立以來，慧能泰連續推出多款業界領先的產品并廣受市場歡迎。公司芯片出貨量2億顆，標桿性客戶有聯想、小米、三星、HP、貝爾金和努比亞等。同時，慧能泰也致力于提高能源利用效率、研究能源控制技術，借助自身的技術研發優勢，面向ICT（通信服務器）、數據中心、光伏逆變器、儲能等工業應用，研發數字電源控制芯片、高壓驅動芯片、電源轉換芯片和模塊等產品。

慧能泰半導體肩負著“芯智慧 芯能源，共建綠色未來”的使命，立志成為業界領先的智慧能源控制技術供應商。

審核編輯：湯梓紅