英飞凌新一代支持5~48V USB PD3.1的PFC+HFB 二合一控制器XDPS2222

前言

英飞凌于去年推出了新款自适应PFC+软开关HFB二合一控制器XDPS2221，内部集成了三个栅极驱动器，用于PFC驱动和半桥开关管驱动。芯片内部集成无磁芯变压器驱动，具有高耐压和强大的抗干扰能力，显著提升产品的可靠性。同时驱动电流和电流斜率均暂不可调节，但具有良好EMI特性。自适应PFC输出及动态启停功能，与后级HFB协同工作，使得能效得到非常显著的提升，特别是平均效率和待机性能。

还可以更灵活的搭配MOSFET和GaN使用，芯片内置高压驱动器，电路非常简洁，有效减少零件数量并降低成本。相比直接驱动MOSFET来说，只需稍作改电阻电容电路，即可直接使用GaN器件。

在今年2023年9月12日英飞凌发布了新一代PFC+HFB二合一控制器XDPS2222。支持超宽范围5~48V输出的USB-PD3.1应用，尤其适用于功率密度快速充电器，笔记本电路造配器、电动自行车和电动工具等应用。

英飞凌是电力系统和loT领域的全球领导者，IOT的应用非常广泛，包括智能家居、智能医疗、智能交通、智能制造等领域。以上资料说明英飞凌在汽车、电源、单片机领域的排名。其中汽车和电源位居行业第一。

以上是详细的目标市场细分情况，其中英飞凌在电源领域的市场占有率达到了19.7%。

XDPS2221和XDPS2222的主要应用领域一览图，其中XDPS2222主要应用在适配器或者48V充电领域中，还可应用在扩展坞或者游戏相关的设备上。

在高功率密度PD3.1 ERP 的应用上存在几个挑战: PFC级是进一步提升效率的瓶颈; PD适配器的平均效率问题; 5~48V超宽输出范围与效率存在矛盾; PWM控制器驱动GaN的电路较复杂; 主控制器与SR控制器的适配问题。以上问题均是厂商在应用过程中提出或者遇到的问题。

上图是240W 采用第一代HFB 控制器 XDPS2201 宽输出、峰值功率 DC/DC演示版，在24V/10A的情况下测得峰值效率为97.6%，功率密度达到4 W/cc，演示版的部分部件采用了英飞凌生产的部件，达到了高效且小型化的设计。

上图是140W 采用PFC+HFB 二合一控制器 XDPS2221 PD 3.1演示版，230Vac下的峰值转换效率可高达95%，转换效率平均提升4~5%。将PFC控制器与XDPS2201控制器所具有的HFB强大功能相结合，可以快速打造出简洁高效紧凑的电源设计。

上图是240W 采用PFC+HFB 二合一控制器 XDPS2222 PD 3.1演示版，是由英飞凌推出一代XDPS2222控制器打造而成的，输出电压范围可扩展到5至48V，功率密度为2.7W/cc，在230Vac情况下峰值效率可达96.8%，100Vac情况下也能够达到95.1%的超高效率，该演示版的半导体器件基本使用英飞凌自家产品，设计十分紧凑，空间利用率非常高。

XDPS2222相比XDPS2221有了诸多升级改进，具有紧凑14脚封装成自适应PFC和软开关混合反激（HFB），支持超宽范围5~48V输出的USB-PD3.1应用，尤其适用于高功率密度快速充电器、笔记本电脑适配器、电动自行车和电动工具等应用。得益于根据输入、输出的电压不同而自适应调节的PFC功能，能够显著提高平均效率，满足最新的能效标准。HFB混合反激主变换级实现全工况软开关，提供创新性的谐振电容切换功能极大地满足更宽输出电压范围的设计，进一步提高效率。

数字电源XDPS2222是一款高度集成的器件，整合了PFC升压和混合反激式（HFB）转换功能。可以直接搭配MOSFET或者英飞凌的GaN使用，搭配MOSFET时候无需外部驱动器，搭配英飞凌的GaN使用时可选择单管或者半桥GaN，进行直接驱动，无需外部驱动器和限压电路。

XDPS2222搭配Infineon的 SR+PD二合一控制器，有效简化次级电路和提高与初级协同工作的可靠性，SR与原边更好的协同工作，减少SR与初级开关的误动作，还可以通过软件进行控制器的参数调节，提升系统的可靠性，从而更好的适配产品使用。

XDPS2222的半桥谐振电容切换，谐振参数可根据需求进行更改，为高低不同的输出电压采用不同的谐振容容值，从而改变谐振槽路，减小低输出电压时的RMS电流，提高效率。切换ZCD分压比例，根据输出电压高低切换ZCD分压比例，提高ZCD电压分辨率。

XDPS2221与XDPS2222的区别，主要是MFIO脚使用NTC做外部过温保护；MFIO脚 根据输出电压高低切换ZCD分压比例，提高ZCD电压分辨率；MFIO脚进一步根据输出电压切换谐振电容。

不同输出电压下的混合反激电流波形。左图可以看出谐振槽路不变情况下，电流波形在低输出电压时，变压器退磁时间长，峰值谐振电流大，RMS电流大，效率难以兼顾宽输出电压。右图是谐振电容可切换的电流波形(XDPS2222)，高低不同的输出电压下采用不同的谐振容容值，改变谐振电路，低输出电压时，动态并入额外的谐振电容，谐振时间变长，减小RMS电流，降低损耗，整个输出范围内都能够获得很高的效率。

PFC+HFB 二合一控制器 XDPS2221/2222，高集成，更易设计。内部集成600V高压启动单元和有源X电容放电功能实现。内部均集成3个开关驱动器，采用无磁芯变压器，可以达到高耐压，抗干扰能力强，高可靠性。驱动电流的大小和斜率暂不调。

数字电源 XDPS2221/XDPS2222的PFC控制，可以多模式工作，准谐振QR模式，谷底开通，最高频率限制，跳频工作，轻载间歇工作，固定开通时间控制，高PF值，低谐波畸变。与后级HFB协同工作，同步间歇工作，可以得到更好的待机效率和较小轻载或待机纹波电压，有效减小负载切换电压过冲。

通过PFC母线电压自适应提高平均效率，PFC母线电压可根据不同条件进行改变，跟随输入电压，提高PFC级效率，跟随输出电压，也使得HFB级的变压器很容易优化，维持HFB级增益和效率，自适应的切换条件可在配置文件中自定义。

PFC自动启停可提高轻载和待机性能。PFC根据不同的条件启停，提高轻载和待机性能，HFB轻载间歇工作时睡眠/唤醒的状态，根据输出功率大小启停，根据输入AC电压和输出电压的不同组合启停，切换条件可在配置文件中自定义。让启停和轻载达到最佳的性能。

XDPS2221/XDPS2222的HFB混合反激控制的说明，拓扑的优点，相比于传统反激，变压器更小，初级和次级的开关应力更低。HFB混合反激控制包括峰值电流模式控制、传递延时补偿、频率抖动改善EMI、全工况软开关工作、独有ZVS脉冲插入技术实现轻载软开关。

相比于 QR或ACF，HFB混合反激拓扑可以大幅度减小变压器的功率。HFB在相同频率下，相同的变压器能传输更大的功率。

HFB 的开关管相比于QR反激/ACF具有更小的电压应力。

HFB不同模式的波形，左边是CRM 模式重载条件下工作，右边是ZV-RVS模式的轻载条件，采用英飞凌专利保护的脉冲插入技术，轻载时也能够实现软开关。

140W 演示版效率数据，明显高于能效标准。

在低压时候平均转换效率可提升5%，在高压时候平均转换效率可提升4%。

本次演讲的总结。XDPS2221与XDPS2222引脚兼容，自适应PFC母线电压提升平均效率，特别是在适配器领域中，PFC自动启停提高待机及轻载性能，可优化波纹或者脉冲等，XDPS2222的HFB谐振电容切换功能轻松实现5~48V超宽输出范围，平衡输出范围和效率的问题，可以直接驱动对噪声不敏感的英飞凌电流型GaN，有效减少外围电路的设计和元器件，减干扰和走线烦恼，提升产品稳定性和性能表现，SR+PD二合一控制器(CYPAG2xx)可协同提高可靠性，可协同XDPS2221或XDPS2222产品使用，可根据需求进行参数的优化，提高整个系统的可靠性。

充电头网总结

英飞凌发布的新一代PFC+HFB二合一控制器XDPS2222，通过本次演讲，大家可以了解到更多关于XDPS2222的相关信息，这款创新的控制器可实现高功率密度设计和高系统效率。XDPS2222是一款高度集成的器件，整合了PFC升压和混合反激式（HFB）转换功能，XDPS2222相比XDPS2221有了诸多升级改进，例如DSO-14 封装的自适应PFC和软开关混合反激（HFB），支持超宽范围5~48V输出的USB-PD3.1应用，尤其适用于高功率密度快速充电器、笔记本电脑适配器、电动自行车和电动工具等应用。

其独特的二合一集成自适应PFC和混合反激功能，能够有效提高平均效率，进一步提高功率密度。谐振电容切换功能可以扩展5~48V的输出电压，给厂商提供了一个在PD3.1EPR快速充电器、笔记本电脑适配器、电动自行车和电动工具充电器等领域中可快速应用的方案。

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