HP1010 | 业界首款图腾柱PFC专用数字控制器震撼来袭！

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。

图一 HP1010引脚定义和封装图

     HP1010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。

图二 HP1010 典型应用电路图

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%。

图三 600 W 图腾柱 PFC 评估板效率曲线

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。

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。

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，

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：

图七 电源正半周负向雷击

图八 电源负半周正向雷击

PF以及THD测试:

下图分别展示了110 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)：

图九 600 W 评估板的 PF 曲线 

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 V_AC

•  输出电压: 400 V_DC

•  输出功率：600 W

•  典型效率：98.7%

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。

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33V；VDDI支持3至18V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！