慧能泰图腾柱无桥PFC专用数字控制器HP1010A解析

从昼夜不息的数据中心服务器到需要适配各种极端环境的工业电源，人们对高效以及高可靠性的电源解决方案的需求也在不断增加。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拓扑既认可又尚存顾虑。

为了解决图腾柱无桥PFC在应用中的各种挑战，慧能泰在2023年推出了业界首款图腾柱无桥PFC专用数字控制器HP1010。在客户端近两年的使用中，HP1010充分证明了其稳定性和可靠性。在此基础上，慧能泰推出了HP1010的迭代升级版HP1010A，可以pin to pin实现对HP1010的替代。同时针对客户提出的一些新的功能需求，HP1010A也相应的进行了升级。功能更强悍、性能更优良、使用更简单。

图一：HP1010A引脚定义和封装图

HP1010A芯片特性

灵活的PWM控制

– PWM频率范围为20 kHz至200 kHz

– 交流线路过零期间的PWM软启动

– 抖频功能可改善EMI

高性能控制环路

– 25 MHz ADC用于线路电压、输出电压和电流检测

– 动态性能优越

– 支持高压直流输入

多模式工作

– 重负载条件下的连续导通模式 (CCM)

– 轻负载条件下的断续导通模式 (DCM)

– 零负载条件下的打嗝模式

– 高低压可分别配置模式参数

故障保护

– 输入过压和欠压保护

– 输出过压和欠压保护

– 输出采样短路保护

– 电流CBC保护

– 过功率保护

– 外部NTC过温保护

– 输出冗余过压保护

系统功能

– 输出电压参考值跟随功率变化

– Relay的节电模式降低待机功耗

– Relay延时补偿功能减小冲击电流

– 功率计量功能

– Precharge功能为驱动芯片自举电容充电

– SKIP功能可在burst模式下关闭外部驱动供电

– PFC OK指示功能

– PS ON功能

– X电容补偿功能以提升PF值

−40℃到+125℃的环境工作温度

HP1010A的典型应用

HP1010A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。可广泛应用于超高效电源、LED照明、工业电源、服务器/通信电源、电动汽车/电动自行车充电器、高性能计算机、变频驱动器等场景。

图二：HP1010A典型应用电路图

HP1010A系统方案的优势

HP1010A系统方案的工作原理

效率指标

采用HP1010A的1kW图腾柱无桥PFC参考设计，高压满载效率接近99%，低压满载大于97.6%。

图五：1kW图腾柱PFC评估板效率曲线

PF值&THD指标

采用HP1010A的1kW图腾柱无桥PFC参考设计可以实现良好的PF值&THD指标，高低压下满载THD都在2%左右。

图六：1kW图腾柱PFC评估板PF值&THD指标

负载动态

基于1kW图腾柱PFC评估板测试，负载空载切满载，输出电压跌落小于30V。

图七：1kW图腾柱PFC评估板动态指标

输入动态

输入高低压切换，系统工作稳定。

图八：1kW图腾柱PFC评估板满载条件下高低压切换

输入电压Drop测试

各种相位和跌落持续时间的测试，系统均可正常运行，无驱动极性错误。

图九：1kW图腾柱PFC评估板满载条件下Drop测试

输入热插拔测试

热插拔测试下，驱动无极性错误，工作逻辑正常。

图十：1kW图腾柱PFC评估板热插拔测试

浪涌测试

在6kV浪涌下测试，系统也能够正常工作。

图十一：1kW图腾柱PFC评估板6KV浪涌测试

HP1010A新增功能项

PFC输出电压跟随功率变化的功能，配合后级DCDC变换器，可以帮助客户实现系统最优效率。

图十二：PFC输出电压跟随功率变化的功能

轻载条件下，Relay的节电模式，可以关闭Relay的驱动，减少Relay的驱动功耗。更适用于对待机功耗有严格要求的场合。

图十三：Relay的节电模式

SKIP功能进一步优化空载待机功耗，GPIO5复用SKIP功能，可以使PFC在burst模式下，不需要驱动时关闭驱动芯片的供电，从而降低驱动的损耗。

图十四：SKIP模式

负载变化时的PWM的软起功能可以减少对系统的干扰。

图十五：PWM的软起功能

Precharge功能可以对驱动芯片的自举电容进行充电。

图十六：Precharge功能

HP1010A 1kW评估板

慧能泰同步推出了HP1010A 1kW的评估板。该评估板基本参数如下：

输入电压范围：90 VAC ~ 264 VAC

输出电压: 400 VDC

输出功率：1kW

典型效率：98.7%

图十七：采用HP1010A的1kW评估板

HP1010A是一款具备高效率、高灵活性、高集成度和先进控制能力的图腾柱无桥PFC控制器。它实现了超越同级的转换效率与功率密度。该控制器的高度集成化设计，显著简化了外围电路，是构建高效率、高可靠性电源系统的理想解决方案。感兴趣的工程师可通过以下方式与我们联系，获取HP1010A更多详细信息。

关于慧能泰半导体

深圳慧能泰半导体科技有限公司是一家专注于智慧能源控制技术的公司，主要面向智能快充和数字能源领域，提供高性能数模混合芯片产品。公司总部设立在深圳前海，同时在上海、浙江杭州、美国加州设有研发中心。慧能泰的核心研发团队来自国内外顶尖半导体公司，拥有强大的研发创新能力。公司现已获多项授权专利，拥有独立自主知识产权，并于2020年被评为“高新技术企业”，2023年获评国家级专精特新“小巨人”企业。

目前，慧能泰已完成了围绕USB Type-C生态链的整体产品布局，开发并量产了多款产品：供电端的多系列PD Source协议芯片，受电端的高性能PD Sink(PD 诱骗芯片)、Type-C端口控制器（CC Logic），线缆端的USB eMarker（电子标签芯片）。成立以来，慧能泰连续推出多款业界领先的产品并广受市场欢迎。公司芯片出货量逾10亿颗，标杆性客户有联想、小米、三星、HP、贝尔金和努比亚等。同时，慧能泰也致力于提高能源利用效率、研究能源控制技术，借助自身的技术研发优势，面向ICT（通信服务器）、数据中心、光伏逆变器、储能等工业应用，研发数字电源控制芯片、高压驱动芯片、电源转换芯片和模块等产品。

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