图腾柱PFC：HP1010为您的电动两轮车之旅提供绿色，高效，安全的动力

电动两轮车不仅为当今生活提供了便利，更是一种健康和绿色的出行方式。想象一下，在经过一整晚的充分休息，骑上爱车，满血复活的准备开始新的一天。您会愿意带着如何给心爱的两轮车充电的担心开始这一天吗？   

随着越来越多的人选择健康、绿色的便捷出行方式，电动两轮车充电站也越来越普遍。与之相关的事故报道也在网络，新闻里屡见不鲜。当然，设计E-bike充电系统时有许多因素需要考虑，例如容量、通信协议、系统效率、安全等等。本文重点介绍慧能泰半导体发布的业界首款数字专用图腾柱PFC 控制芯片，HP1010，是如何为电动两轮车提供安全、灵活和智能的电力补给的。

HP1010 使用QFN-24L封装，尺寸仅为4毫米 x 4毫米。这款芯片具备智能切换模式（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。丰富完善的可编程保护功能，包括：逐周期电流限制保护、浪涌过电压保护、输入和输出电压的过压/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。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。

图 1: HP1010封装和引脚定义

图 2: 图腾柱PFC HP1010 电动两轮车充电系统

图腾柱PFC拓扑的突出优点之一就是效率高。在传统有整流桥的PFC电路里，整流器件的损耗是不可避免的。尤其在低电压输入下， 这个损耗更为明显。 于此同时，随着功率增大，桥堆散热问题同步威胁着系统的可靠稳定运行。参考图2，以3 kW的电动两轮车充电单元为例，系统采用图腾柱PFC和LLC拓扑架构，实现从交流输入电压 到直流输出电压的转化。功率的扩展性，可以通过并联LLC的个数实现，例如从单路LLC输出达到千瓦以上到多路LLC实现各输出几百瓦不等。如果使用桥堆整流的话，在低输入电压下，输出3000W时单纯桥堆损耗会在几十瓦。如果使用慧能泰的图腾柱无桥PFC控制芯片HP1010，管子替代桥堆，这样可以大幅度减少损耗。根据换电柜的行业专家反馈， 每个换电柜平均每天的电费成本为55元。使用HP1010方案后，系统效率提升， 不仅将换电站的电费成本降低，提高运营利润，更重要是大大降低了“热” 带来的安全隐患。

此外，高效带来的环保价值更值得关注。 根据《2022年度两轮绿色出行指数研究报告》数据，每日因两轮出行减少的碳排放相当于种植55万棵。使用HP1010的高效充电系统， 可以进一步减少CO2排放，让出行变的更加环保。

电动车充电问题频繁发生之后，随之而来的是更加可靠的，安全的智能方案。国家和行业对这个问题的重视程度也体现在各种新标准里。特别是为了满足GB 42296 – 2022、GB 42295-2022、UL 2849和EN 15194的严格要求，工程师们正在大力投入新技术研究，力图让E-bike 充电的安全性、可扩展性和智能性更上一层楼。

对每一个充电系统来说，多少电流进入，又有多少电流输出是非常关键的信息，尤其是对于电池负载来说，因为安全性是需要在所有其他因素中首要考虑的。图3展示了从强制性标准中摘录的信息，该标准于2023年7月1日生效。为了更好的帮助设计人员，HP1010的高性能模拟前端和数字核架构提供了对输入RMS电流，输入RMS电压，输入RMS功率，PFC输出电压和PFC输出电流的实时监测。事实上，关于功率计量这个功能，一共有八个参数可以根据设计的具体要求进行灵活配置。除了电流信息外，还有电压，功率范围和更新周期等参数不但可以灵活配置，更可通过I2C和UART接口读取出来。详细配置细节请参阅HP1010 GUI用户指南（慧能泰半导体官网-HP1010 (hynetek.com)）。

图 3: 输入输出电流偏差标准，摘自GB 42296 -2022

另一方面，电磁干扰（EMI）的合规性也是此次国标更新中新增的内容，具体参见官方发布标准里的第5.7节。针对这个新要求，HP1010先进的频率微斗功能可以让工程的设计如虎添翼。如图4所示，启用此功能后，EMI性能在全频率范围内得到了明显改善。通过相关寄存器配置，HP1010 可以在设定的周期数范围内改变开关频率。并且这个功能有八个可用的步进来满足不同设计的差异化要求。

图 4: EMI性能在抖频开/关前后对比

充电设施通常安装在室外，路边，居民区附近。必然受恶劣的天气条件影响，如高温、潮湿或雷电等情况。归功于其高性能的数字内核，HP1010提供了一套丰富全面的保护机制，来确保系统在各种异常状态下，仍然可以安全稳定的工作。这里列举三个相关保护。

第一，过温保护（OTP）来确保室外高温下，系统智能关闭，避免火灾。HP1010的OTP功能将在NTC引脚的电压降至0.4V以下时触发。工程师可以根据具体设计需求定制OTP的去抖时间和响应时间。

第二，避免潮湿带来的短路情况。通过CS1/CS2引脚的短路保护，HP1010只有在确定这两个引脚上没有短路时才会启动。实现电路也相对简洁，只需与150 mV的参考值进行比较。有关更详细的电路，请参阅数据手册（慧能泰半导体官网-HP1010 (hynetek.com)）。

第三，强大的抗雷击性能。测量结果表明如图5，HP1010 PFC控制器在防雷击方面表现出色。雷电可能发生在两种情况下：与交流电压同相或与电压异相。HP1010的先进控制算法和逐周期电流保护(CBC)确保了即使在更具挑战性的情况下，异相雷击，PFC也能够在极短的时间内关闭慢管，并且智能、有序地恢复运行。与传统的有桥PFC相比， 这个性能表现是格外值得称赞的。 因为，图腾柱拓扑高能效的主要原因是将整流桥的损耗去掉。 这样， 来自交流测的任何异常，会直接由功率管承接。雷击也是如此。所以，广大工程师选择HP1010 作为新一代E-bike 充电的核心控制，是有 技术优势支持的。

图 5:  负半周AC电压施加正向雷击

综上介绍，在助力节能，绿色出行的新风尚大趋势下。电动两轮车在各国被越来越多的人喜欢。国家标准和行业技术持续关注高效，安全两方面的进步。这恰恰与慧能泰半导体 “芯智慧 芯能源，共建绿色未来”的使命不谋而合。新推出的数字PFC控制器，HP1010， 把图腾柱拓扑高效率的优势发挥到极致的同时，更将工程师期待已久的：设计灵活和安全保护变为现实。