【分享】数字PFC + LLC组合控制器助力快充适配器进入新时代

随着移动设备的功率需求呈指数级增长,快充技术在过去几年得到了迅猛发展。2020年末,手机市场领导者(如苹果、小米和三星)开始不再提供手机包装内附送的适配器。这一变化引发了零件市场适配器的又一波需求热潮,也印证了快充适配器市场的两大趋势。

第一个趋势是对多端口适配器的需求。传统的手机随附适配器无论功率多大,都只提供单个USB端口。一旦不再附送适配器,传统的“one phone, one adapter(一部手机配一个适配器)”的概念就变得毫无意义,因为客户开始更喜欢多个 USB 端口设计的适配器。现代消费者在日常生活都会用到大量的电子设备(例如手机、平板电脑和笔记本电脑),无论在家中还是在旅途中,拥有一个可以同时为多个设备供电的适配器,当然是首选的充电方式(见图 1) 。


图1: 带3C1A USB端口的100W适配器

第二个趋势是适配器需要可以适用于超过100W的更高功率水平。由于快充技术的发展,大多数适配器的功率水平也在不断提高。USB PD协议允许高达20V的充电电压和5A充电电流。

迄今为止,出于量产成本以及单个便携式设备实际充电要求等考虑,市场上的大多数产品附送适配器功率仍低于65W。

但由于为多个设备充电需要更高的功率,许多零件市场的多端口适配器已经超越了传统的功率限制。而且,因为可以为更多设备充电,更高的成本也变得可以接受。因此,额定功率超过100W的大功率适配器正逐步成为主流产品。

对于最高功率65W的适配器,单级反激拓扑一直以来都是最常用的解决方案。特别是对具有宽输入和输出电压范围的单端口快充适配器而言,反激解决方案无需额外的 DC/DC 功率级即可适应多种电压组合。然而,基于上述趋势,市场需要快充适配器解决方案有所变革。

首先,大多数地区对电源都有强制的功率因数规范,当额定功率超过一定水平时,需要在前端进行功率因数校正(PFC)。其次,反激解决方案很难满足100W以上应用的效率和功率密度要求

由于多端口适配器要求每个端口都能够独立调节输出电压,因此每个端口必须有自己的 DC/DC 级。这意味着主电源只需要提供固定的输出电压即可,无需提供可调电压。这使得两级PFC + LLC 组合控制器成为更适合多端口大功率适配器的解决方案。LLC 是一种谐振变换器,它可在宽负载范围内实现零电压开关 (ZVS)。输入端为PFC,输出端为 DC/DC,LLC 解决方案实现了比反激解决方案更高的效率和功率密度。图 2 显示了典型的PFC + LLC 解决方案。


图2: 采用HR1211实现的典型PFC + LLC控制器解决方案

我们以MPS的HR1211为例进行说明。HR1211是一款数字 PFC + LLC combo控制器,可用于大功率多端口PD适配器设计

该PFC + LLC combo控制器是多端口适配器的理想解决方案。HR1211中的混合控制方案允许PFC 级的连续导通模式 (CCM) 和断续导通模式 (DCM)。在满载条件下,CCM降低了传导损耗(尤其是在低压线路输入时)和电感尺寸要求。与此同时,LLC 级通过自适应死区时间追踪技术实现了电流控制模式,保证了ZVS 操作在任何条件下都具有最小死区时间。这最大限度地降低了LLC 变换器的开关和传导损耗。这些特性对实现高效率和高功率密度至关重要。在具有 3C1A USB 端口的100W PD 适配器中,从 AC 到 LLC 输出的满载效率接近95%(参见图 3)。


图3: 100W适配器设计中的HR1211满载效率

基于此,我们可以在非常小的尺寸 (76mmx61mmx29mm) 下实现100W大功率适配器,而且可以轻松控制温升。图 4显示了在 20V/5A 的连续满载工作条件下,该解决方案的最高温度为 77°C
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图4: 在连续20V/5A 输出条件下的热性能

HR1211的专有控制方案还具有卓越的轻载性能。随着负载的降低,该解决方案将逐步将PFC 操作从CCM模式改为DCM模式,并降低开关频率。在轻载条件下,LLC 控制采用PFM模式和突发模式来降低 LLC 变换器的等效开关频率,从而降低开关损耗。

图 5 显示了在输出电压为20V时,USB Type-C 输出之一从10%负载到满载时的效率。PFC + LLC combo可以分别实现88.3%的高压线路平均效率89%的低压线路平均效率,轻松满足全球效率规范


图5: USB Type-C输出效率

该解决方案的另一个好处是采用数字化设计,更具灵活性。它不仅外部电路相当简单,而且HR1211芯片具有数字内核多次可编程(MTP)存储器,因而具有丰富的可编程性。可以通过基于 UART 的通信接口和图形用户界面 (GUI) 编程各种操作模式里的关键参数、开关特性、调整率以及转换阈值

凭借这种灵活的数字化设计,我们可以根据给定设计轻松优化效率、纹波、噪声和保护等各类性能(参见图 6)。这一点对快速发展的市场(如大功率快速充电适配器)尤为重要。一旦市场对电源规格、外形规格或性能规范提出新的需求,PFC + LLC combo控制器都能够快速做出响应。


图6: HR1211图形用户界面

快充适配器市场不断发展,超过100W 的大功率适配器以及具有多个USB PD端口的新型适配器需求不断涌入。HR1211这种数字PFC + LLC 控制器解决方案可以很好地满足此类需求,其出色的效率、性能、功率密度和灵活性将助力适配器市场进入新时代。