一文讀懂MPS最新LLC+PFC單晶片數字氮化鎵快充控制器HR1211

1月29日，MPS透過線上直播的形式成功舉辦了《2021 MPS數字電源晶片新品釋出會》，並重磅釋出了一款數字化多模式PFC+LLC整合控制器HR1211。該晶片為消費類電源產品提供簡單可靠，高效率高功率密度的數字化解決方案，同時也標誌著氮化鎵快充正式步入數字時代。

MPS HR1211數字化控制器用於AC-DC電源領域，解決了傳統數字電源外圍複雜、成本高的缺點，基於HR1211可以設計出元件精簡、高效能、低待機功耗、全輸出範圍高效率的開關電源，助力大功率PD快充普及。

在消費類產品中，電源要求高效率、小體積、低待機功耗。傳統的模擬控制器很難跟上日新月異的變化，MPS的HR1211解決了傳統數字電源外圍元件複雜、成本高的問題，充分體現出新一代數字電源晶片的優勢。

目前對電源要求是全輸出範圍下的高效率，不光追求滿載的高效率，在待機和輕載時均要求較高的效率水平。

高功率密度可以在同等體積下輸出更高的功率，配合簡潔的BOM，提升電源產品的競爭力。此外可靠性要求和EMC要求，還制約著電源的轉換效率和輕載效率。要同時滿足以上要求，選擇一個合適的電源方案非常重要。

MPS提供0-1000W全系列的AC-DC電源解決方案，從1W輸出的智慧LDO和Buck非隔離方案，到10W輸出的非隔離降壓方案，MPS均有整合功率管的解決方案。

對於小功率隔離反激方案，MPS也有整合功率管和控制器的方案提供。最後到大功率的LLC方案，在75W輸出以上，比較常用的PFC+LLC架構，MPS有獨立的PFC控制器和LLC控制器提供。今天重點介紹的是HR1211，PFC+LLC二合一控制器。在副邊同步整流上，MPS也有高效可靠的方案，可用於LLC和反激同步整流。

HR1211數字式PFC+LLC整合控制器，從圖中的應用電路中可以看到HR1211的外圍電路非常簡潔。HR1211整合PFC+LLC 數字控制核心，所有的功能和引數都透過uart介面，單pin引腳進行配置。同時內部集成了高壓啟動、X電容放電、PFC驅動、LLC半橋驅動、自舉二極體、外圍電路非常簡潔，可實現緊湊的電源設計。

HR1211是數字化PFC+LLC二合一控制器第二代成熟產品，2016年推出的HR1200採用了數字PFC控制器和模擬LLC控制器，28pin，是市場上第一顆數字整合PFC和LLC的控制器。PFC採用專利的DCM/CCM混合控制，支援高達1000W功率輸出。

HR1211的PFC和LLC控制器全部採用數字控制，LLC採用電流模式控制，可獲得更好的瞬態和穩定性，同時提升了輕載下的效能。空載損耗＜100mW，位於領先水平。下一代產品已經在設計中，預計今年問世，新產品會整合更多系統上的效能，並且具有更優秀的輕載表現。

HR1211全部功能和引數均可使用圖形介面透過UART介面進行配置，PFC級採用CCM/DCM混合控制，在10%的負載下可實現功率因數＞90%，幾乎沒有模擬的PFC控制器可以達到這個效果。

PFC控制器採用數字環路調節，使用數字方式進行靈活配置，並且兩級環路補償的可實現快環和慢環的切換，達到非常好的動態調節。LLC採用電流模式控制，全負載範圍內可實現高效率。

同時具有自適應死區時間調節和容性模式保護，保證執行高效穩定。5W輸出功率效率高於80%，0。5W輸出效率高於65%。得益於數字控制，HR1211可提供豐富完善的保護功能，和獨立定製的保護功能。

MPS HR1211透過輸出功率計算出峰值電流和谷值電流，根據谷值電流切換CCM和DCM工作狀態。當谷值電流大於0時執行在CCM工作狀態，谷值電流等於0時執行在DCM工作狀態。

並且跟隨負載狀態動態調節PFC工作頻率，負載下降降低PFC開關頻率。過載下PFC執行在CCM模式，開關頻率最高，隨著負載下降，動態降低兩邊頻率，實現較低的等效平均開關頻率，並保證峰值電流不會過高。隨著負載進一步下降，整個開關頻率進一步下降，進入DCM模式。有利於功率電感設計和更高的峰值功率。

HR1211配置PFC級電流取樣和DCM開關週期計算濾波器，數字濾波器階數和截止頻率都可配置，可根據系統需要進行濾波器引數設定，可解決大部分噪聲干擾問題，簡化布板設計，並最佳化噪聲，提高系統穩定性。

HR1211內建的PFC電路，可補償開關電源中電容產生的容性電流，數字控制可針對容值和輸入電壓和補償幅度進行補償，這也是模擬PFC控制器無法做到的，可以在寬負載幅度得到90%以上的功率因數。

HR1211在PFC級實現了兩級的數字環路補償功能，可透過圖形介面直觀體現。PFC級得益於數字化控制，可以做到快環和慢環切換。快環用於防止快速負載切換造成的電壓跌落，維持LLC級穩定工作，保證輸出電壓。

HR1211採用電流模式LLC控制器，可實現更好的系統穩定性和更快的響應速度。HR1211採集原邊諧振電容上的電壓，與光耦反饋訊號進行比較，決定上管開通時間。晶片內部計時器計算上管導通時間，保證下管開通時間和上管完全對稱，實現原邊電流控制。HR1211還具有斜坡補償功能，用於防止次諧波震盪，幅度可由數字控制配置，滿足不同需求。

電壓模式和電流模式系統效果對比，以100KHz為例，電壓模式得到3KHz頻寬，電流模式可輕鬆得到更高頻寬，在相同頻寬下，電流模式具有更好的穩定性。

HR1211在電流模式的基礎上，加入了跳週期和Burst模式，來滿足輕載下的高效率要求。透過跳週期來降低等效開關頻率，減少開關損耗。跳週期時間可透過數字配置，保證在音訊噪聲外。極輕載模式下，Burst模式可進一步最小化開關頻率，實現輕載高效的狀態。

進入Burst模式以後，可透過調節進出負載點進行輕載效率和音訊噪音的平衡。另外HR1211提供Burst模式的控頻功能，可設定頻率範圍為1KHz以下，避開人耳敏感點，有效緩解噪音。

HR1211可以透過圖形化使用者介面進行非常詳細的配置，如PFC、LLC、控制功能配置，系統功率和保護狀態監控。使用HR1211數字晶片，可在任何階段進行引數調整，從研發到成品。HR1211還具有密碼設定，透過密碼保護晶片內部引數，沒有密碼無法讀取內部配置引數，從根本上杜絕抄板。

HR1211內建的數字核心透過LabView平臺還可進行自動化的引數測試及最佳化，配置引數掃描，自動掃描測試，最佳化效能。

HR12系列設計例項，涵蓋筆記本電源，PD介面卡和桌上型電腦電源及伺服器電源。得益於數字控制的靈活性，支援CCM和DCM的PFC，電流模式的控制LLC，可實現非常優秀的系統穩定性，覆蓋不同功率的設計。

總結

MPS HR1211採用數字化核心，具有非常豐富的可配置專案，相比傳統控制器，具有更多的靈活性。其非常豐富的可配置專案，使HR1211可滿足非常高的要求，如待機功耗，快速負載響應和音訊噪聲抑制。

同時HR1211還具有外圍元件簡單，晶片整合度高的優勢，簡化應用；內建的密碼保護能有效保護晶片內部配置資訊，使產品難以被抄板，有效保護智慧財產權不被侵害。