低碳時代到來，引領小型化和高效率趨勢

 

開關電源在80年代替代線性電源之后，電源效率得到了極大的提升，尺寸也大大減少。隨著開關電源在各個應用上的不斷發(fā)展和消費者對便攜性的要求，開關電源繼續(xù)朝著小型化，輕量化的趨勢發(fā)展。近年來，碳達峰、碳中和“3060”目標開啟了低碳新時代，隨著節(jié)能減排的要求越來越嚴，人們對環(huán)保節(jié)能低耗綠色提出了更高要求，對開關電源的能效標準也越來越嚴。比如，歐盟執(zhí)委會最新的CoCV5六級能效標準第二階段，美國能源部DoE6六級能效都對空載功耗、效率提出了更高的要求，來達到節(jié)能減排的目的。

 

開關電源的挑戰(zhàn)不斷升級

 

提高開關頻率可以大大減少無源器件的尺寸，包括電感、電容及變壓器。對于AC/DC 離線開關電源，其輸入端是50Hz/60Hz 230V的交流輸入，高電壓的高頻切換產生的開關損耗限制了其開關速度，傳統(tǒng)700V硅功率器件從開始的30kHz發(fā)展到現(xiàn)在200kHz，已經碰到Si的物理瓶頸。在AC/DC 電源中，除了高壓功率器件的開關頻率限制，隔離變壓器的高頻化設計也要兼顧安全和效率，隨著頻率的增加，單位體積散熱的增加也大大制約了頻率的提升。

 

提高效率成為必經之路

 

提高效率是小型化的必要途徑，它不但可以減少損耗，同時還能減少散熱，給高頻小型化提供了必要的條件。只有效率提升了，單位體積散熱減少，同時通過高頻化設計，功率密度才會大大的提升。

 

想要提高效率，可以通過新的開關拓撲，譬如新型的反激拓撲ACF（Active-Clamp Flyback）就可以消除開通損耗，同時做到隔離變壓器的漏感回收，加上第三代半導體功率器件的快速關斷，開關損耗可以降到忽略不計。提升了效率，同時讓電源的設計頻率不會受到功率器件的限制，大大地加速了小型化。

 

圖1：GaN+新型拓撲提高效率

 

MPS 在ACDC領域深耕多年，擁有業(yè)界領先的產品，涵蓋了市面上1~1000W的產品范圍，客戶遍布全球。隨著“更綠色/環(huán)保”的新規(guī)范的出臺以及第三代半導體時代的到來，MPS的AC/DC電源產品不斷精進技術和性能，迎合市場的發(fā)展趨勢：

 

●     利用多種新型拓撲提高效率：比如使用PFC + LLC以及ACF+ZVS的混合拓方式以實現(xiàn)零打開損耗，同時回收漏感，可以達到93%以上的高效率。

●     采用全集成設計，以簡化設計，減少成本：傳統(tǒng)的非隔離式AC/DC解決方案通常需要使用多顆IC，同時還需配備原邊及副邊控制器以及光隔離器等，占板面積大，BOM成本高；MPS最新一代解決方案尺寸緊湊，集成度高，1顆IC即可囊括原邊和同步控制器，設計簡潔，占板面積小，成本效益高。

●     高頻化的芯片以適應新一代功率器件：傳統(tǒng)硅器件的開關頻率低，效率也很難提高，隨著GaN等新型半導體材料的出現(xiàn)，其開關頻率及效率都得到大大提高，高頻設計更加符合新型功率器件的要求。

●     數(shù)字化產品可以實現(xiàn)更好的性能：傳統(tǒng)的模擬控制器很難跟上日新月異的變化，新一代數(shù)字電源芯片的優(yōu)勢日趨明顯，MPS的產品采用數(shù)字化內核，具有非常豐富的可配置項目，相比傳統(tǒng)控制器，具有更多的靈活性。

 

MPS可以提供0-1000W全系列的AC-DC電源解決方案，從1W輸出的智能LDO和Buck非隔離方案，到10W輸出的非隔離降壓方案，MPS均有集成功率管的解決方案。對于小功率隔離反激方案，MPS也有集成功率管和控制器的方案提供。最后到大功率的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。

 

 

圖2：MPSACDC電源解決方案

 

其中，全集成反激控制器系列產品MPX2002/3，創(chuàng)新性地將初次級控制器合封在一顆芯片內，大大簡化了外圍電路設計，為實現(xiàn)快充電源的小型化提供了全新的思路。

 

圖3：MPX2002典型應用電路（原邊+ 副邊+ 反饋）

 

MPX2002在重載下可在CCM 下運行，然后在負載降低時切換至準諧振（QR）操作。如果負載進一步降低，MPX2002 將在跳頻（PFM）模式下工作。當其進入突發(fā)模式時，開關頻率固定為20kHz，從而降低音頻噪聲。通過此特性，MPX2002可在所有負載條件下實現(xiàn)高效率，同時具有出色的電磁干擾（EMI）性能。傳統(tǒng)方案需要反激控制器、光耦、電壓基準和同步整流控制器四顆IC，而使用MPX2002單IC方案，集成了初級控制器和同步整流控制器。簡化了設計，提高了效率，減小了占板面積，降低待機功耗，增強可靠性，無需光耦反饋，防止光耦在高可靠性環(huán)境出現(xiàn)老化。特別在CCM運行模式下能夠實現(xiàn)更高精度的同步整流控制。MPX2003 把頻率進一步提升到130kHz 以上來滿足小型化需求。

 

圖4：MPX2002 VS.傳統(tǒng)方案

 

MPS AC/DC的另一款成名之作HR1211，也充分地體現(xiàn)了MPS的產品優(yōu)勢，這是一款集成多模式PFC和電流型LLC的二合一控制器。芯片集成了高壓電流源、安規(guī)認證的X電容放電電路、PFC和LLC的高壓驅動電路，從而實現(xiàn)了非常簡潔的外圍電路。

 

圖5：HR1211的典型應用電路

 

HR1211的數(shù)字控制內核結合可重復編輯的存儲單元，賦予了整個方案強大的靈活性。PFC和LLC兩級電路之間的配合；不同控制模式之間的切換；關鍵工作點的開關頻率；保護功能的閾值、時間以及恢復方式；所有這些主要的功能都可以通過UART的通訊口進行自由配置，并能夠在圖化操作界面上完成，這使得基于HR1211的電源設計能夠靈活的適應不同應用在不同設計中的性能要求。

 

 

圖6：HR1211應用場景

 

MPS在AC/DC領域技術沉淀多年，目前已有多種優(yōu)秀解決方案深受業(yè)界好評，未來會有更多新品不斷面市。

 

關于MPS

 

芯源系統(tǒng)股份有限公司（Monolithic Power Systems, Inc.，簡稱MPS），是全球領先的半導體公司，專注于高性能模擬集成電路和混合信號集成電路的設計、研發(fā)、制造和銷售，產品廣泛應用于汽車電子、云計算、存儲、通訊、工業(yè)、消費電子等領域。MPS創(chuàng)建于1997年，2004年在納斯達克（NASDAQ）成功上市，目前市值超150 億美元。經過20余年的全球市場拓展，目前MPS在亞太、北美、歐洲等地區(qū)設有16家分支機構，業(yè)務覆蓋全球30多個國家和地區(qū)，全球客戶超10000家，累計出貨1000億顆芯片。

 

 

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