慧能泰双相交错CCM PFC芯片的优势解析

双相交错功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)通过并联结构减少了输入电流纹波，改善EMI性能，降低开关管的电流应力，热量分布均匀从而提高了系统的可靠性和寿命。因此，在中大功率应用中, 尤其是在高功率密度，扁平化的设计要求较高的应用中，受到广泛使用。当前市面上的主流双相交错CCM模式PFC芯片，如UCC28070、FAN9672、R2A20114BFP、STNRGPF02等主要以模拟芯片为主。对于日新月异的各种应用场景，越来越显得限制重重。慧能泰HP1011和HP1013采用电感电流连续导电模式(Continue Conduction Mode，CCM)的交错Boost PFC变换器。这两款芯片的主要区别在集成度上，HP1013内置双路驱动，进一步的简化外围电路。对比前一代模拟方案，慧能泰HyCtrl两款芯片具有两大优势：灵活配置和智能化。

图1：双相交错PFC典型应用，HP1011(左)外置驱动HP3000，HP1013(右)

01简单灵活的配置

HP1011和HP1013集成完备的保护功能以及智能通信等诸多优良性能，可帮助客户轻松设计出高性能，高可靠性的开关电源产品。同时HP1011和HP1013的数字内核确保了关键参数的灵活配置，可满足各类应用场合的不同规格指标要求，客户可以使用HP1011或HP1013替换友商同类产品，例如UCC28070、FAN9672、R2A20114BFP等，替代成本更低，并且性能更优。

表1：HP1011和HP1013与类似产品对比

相电流动态均流

双相交错PFC的并联结构不可避需要解决两个分支的差异造成电流不对称的问题。通常差异主要来自电路版布局走线差异，电路器件本身的差异。这些差异会导致反馈信号失真，从而造成两路电流不对称。HP1011支持相电流动态均流功能。通过GUI软件可配置使能两通道间电感电流动态均流，双相间电感电流平均电流有效值偏差小于5%。如图2，电流均衡(IBAL GAIN)有四个挡位可以选择。如果两路分支差异的具体程度很小，可以选择系数1;反之，如果差异较大，则选用系数4。显然这种简单灵活的选择， 比在电路上优化摆放， 以及设计上消除误差，工作效率要高出很多。并且，在有限的空间和系统环境里，绝对对称是不实际的。对于这种情况，动态均流功能就更加重要。真正意义上提高设计灵活度。

图2：双相交错PFC， 切相和均流的配置界面(GUI)

图3：启用相电流动态均流，在双相参数明显差异下依然可以实现均流

切相配置

为了优化轻载效率，HP1011 提供切相功能。当负载减小时，两个功率管减少为一个将进一步减少开关损耗。这个功能是UCC28070所不支持的。其他厂商的模拟方案需要额外的MCU控制信号。设计复杂度大大增加。仍然参考图2，HP1011切相功能的实现非常简单。首先，设计人员可以根据需求选择两路里的任意一路。其次，启动切相功能的功率门限值有10个挡位可以选择。同时，切相的功率迟滞也有8个选择。这样就给工程师提供了丰富组合选项来满足各种各样的系统需求。

图4是HP1011的切相实测波形。双相到单项(上)和单相到双相(下)波形。从图5可以明显看出虚线在270W以下，单相效率高于双相效率最高可达两个百分点。

图4：换相电流， 电压，PWM波形(基于HP1011测试)

图5：切相后轻载效率明显提高(虚线)

02智能化

设备智能化是顺应政策和市场的必然结果。首先，按照国发〔2024〕7号文件，《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》要求，财政部和税务总局发布了2024年第9号公告，就节能节水、环境保护和安全生产专用设备数字化、智能化改造给与企业所得税倾斜。其次，各行各业在人工智能商业化的催化驱动下， 越来越多的场景需要信息传递来做进一步的智能处理。例如，电动交通工具充电站后台系统需要与充电中的交通工具行通信，以控制充电过程、监控充电状态和计费;智能家居和物联网设备需要高效的电源管理，以延长设备寿命和优化能源使用。如果PFC控制器能够与家庭能源管理系统通信，协调设备电源管理，从而实现电能质量优化和高效能耗。针对这些应用需求， HP1011特别支持功率计量和通信接口。

HP1011 的功率计量

HP1011 提供5个参数的信息：输入电压，电流的平均值，输入功率， 输入电压的频率，以及输入电压平均值。此外, 监测的功率范围和监测的更新速度都可以通过4个配置选项调整从而满足设计应用的实际需求。下图是HP1011 600W评估板上实际测量的功率计量曲线。200W以上的精度基本在2% 以内。对于50%以上的负载基本可以实现1%的精度。

图6：功率计量精度曲线(HP1011 600W实测波形)

I2C和UART通信接口

与PFC控制器进行通信的应用通常涉及复杂的电源管理和智能优化需求，这些应用需要实时监控、远程控制和数据交换，以确保系统的高效、稳定和可靠运行。借助通信功能，PFC控制器可以提供关键的电能质量数据，并接受优化控制指令，从而提高整体系统性能。HP1011提供I2C 和UART两种常见的通信接口。I2C常用于短距离通信，适用于设备内部的模块之间通信;UART常用于简单的点对点通信。UART的数据传输速率有4种可以选择。

图7：UART， I2C通信接口

综上介绍，HP1011和HP1013是慧能泰最新的双相交错CCM模式PFC的数字控制器，采用平均电流控制，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PFC的高性能实时控制。 数字内核给工程师们带来了非常灵活的差异化设计和简单快捷的设计体验。不仅仅如此，这两款芯片丰富的保护功能更为新一代的智能场景保驾护航。

图8 ：HP1011(左)、HP1013(右)引脚定义和封装图

慧能泰同步推出了HP1011 1000W的评估板。该评估板基本参数如下：

输入电压范围：90 VAC ~ 265 VAC

输出电压: 400 VDC

输出功率：1000 W

典型效率：98.5%

图9：采用HP1011的1000W评估板

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3.5亿颗，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。

慧能泰半导体肩负着“芯智慧 芯能源，共建绿色未来”的使命，立志成为业界领先的智慧能源控制技术供应商。