小型化、高效率趨勢(shì)下，AC/DC電源走向何方？

開(kāi)關(guān)電源在80年代替代線性電源之后，電源效率得到了極大提升，尺寸也大大減少，不斷向小型化、輕量化的趨勢(shì)發(fā)展。?

MPS在DC/DC、AC/DC、智能電機(jī)等領(lǐng)域深耕多年，在AC/DC電源領(lǐng)域涵蓋了1~1kW的產(chǎn)品范圍。隨著環(huán)保新規(guī)范的出臺(tái)以及第三代半導(dǎo)體時(shí)代的到來(lái)，MPS在AC/DC 電源領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)迎接新的市場(chǎng)挑戰(zhàn)。

開(kāi)關(guān)電源面臨哪些挑戰(zhàn)？

MPS AC/DC產(chǎn)品總監(jiān)Peter Huang表示，開(kāi)關(guān)電源的挑戰(zhàn)在不斷升級(jí)。首先體現(xiàn)在安規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)方面，例如高壓電源的安全距離限制、絕緣標(biāo)準(zhǔn)等，以及EMC、EMI、平均效率、輕負(fù)載效率要求、待機(jī)功耗等方面，都有相應(yīng)的嚴(yán)苛要求。

其次，在AC/DC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，也面臨升級(jí)需求。從單級(jí)Buck/Flyback結(jié)構(gòu)，正在向多種新型拓?fù)浞较虬l(fā)展，以提高效率。例如使用 PFC + LLC 以及 ACF+ZVS 的混合拓?fù)浞绞?，?shí)現(xiàn)零打開(kāi)損耗，同時(shí)回收漏感，可以達(dá)到93%以上的高效率。?

此外，伴隨著小型化、低功耗等發(fā)展趨勢(shì)，小功率領(lǐng)域以典型的充電器演進(jìn)為例，2005年左右不到3.5W，頻率很低、功率密度約為0.1W左右、待機(jī)功耗要求也并不高。 隨著智能手機(jī)的普及，待機(jī)功耗的要求更高，頻率、效率、功率密度都在不斷提升。

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中大功率領(lǐng)域也是如此，一直在追求更高的效率、更低的待機(jī)功耗。65W以上的應(yīng)用，如LED燈、機(jī)箱電源、Notebook等，80 Plus的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此有不同的等級(jí)區(qū)分，近年來(lái)的趨勢(shì)是越來(lái)越多的品牌認(rèn)證從低端走向高端，效率越來(lái)越高。

Peter Huang補(bǔ)充，隨著第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用，業(yè)界需要高頻化的芯片，來(lái)適應(yīng)新一代的功率器件。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)硅器件的開(kāi)關(guān)頻率低，效率也很難提高，隨著GaN等新型半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，其開(kāi)關(guān)頻率及效率都得到大大提高，高頻設(shè)計(jì)更加符合新型功率器件的要求。?

小尺寸成為趨勢(shì)所向

小型化是開(kāi)關(guān)電源顯著的發(fā)展趨勢(shì)，如何實(shí)現(xiàn)更小的尺寸？Peter Huang表示，更高的效率、更高的開(kāi)關(guān)頻率、堆疊或集成的方式，都在推動(dòng)小尺寸的發(fā)展。

提高效率是必經(jīng)之路

具體而言，推動(dòng)小尺寸最重要的就是提高效率，這是最根本的方向，它不但可以減少損耗，同時(shí)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(shí)通過(guò)高頻化設(shè)計(jì)，功率密度才會(huì)大大的提升。?

新的開(kāi)關(guān)拓?fù)?，如新型反激拓?fù)?ACF(Active-Clamp Flyback)就可以消除開(kāi)通損耗，同時(shí)做到隔離變壓器的漏感回收，加上第三代半導(dǎo)體功率器件的快速關(guān)斷，開(kāi)關(guān)損耗可以降到忽略不計(jì)。提升了效率，同時(shí)讓電源的設(shè)計(jì)頻率不會(huì)受到功率器件的限制，大大地加速了小型化。?

通過(guò)GaN+新型拓?fù)鋪?lái)提高效率

更高的開(kāi)關(guān)頻率有助于減小尺寸

此外，提高開(kāi)關(guān)頻率可以大大減少無(wú)源器件的尺寸，包括電感、電容及變壓器。對(duì)于 AC/DC 離線開(kāi)關(guān)電源，其輸入端是50Hz/60Hz 230V的交流輸入，高電壓的高頻切換產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗限制了其開(kāi)關(guān)速度，傳統(tǒng)700V 硅功率器件從30kHz發(fā)展到現(xiàn)在200kHz，幾乎已經(jīng)碰到 硅的物理瓶頸。在AC/DC電源中，除了高壓功率器件的開(kāi)關(guān)頻率限制，隔離變壓器的高頻化設(shè)計(jì)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。?

機(jī)械設(shè)計(jì)改進(jìn)帶來(lái)的空間優(yōu)化

通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)的改進(jìn)也有助于實(shí)現(xiàn)小型化。Peter Huang表示，這也是門(mén)檻較高的一點(diǎn)，需要一定的設(shè)計(jì)“功力”來(lái)充分利用空間。

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(shí)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。在MPS 最新一代解決方案，通過(guò)1顆IC囊括了原邊和同步控制器，占板面積小，成本效益高。?

數(shù)字電源設(shè)計(jì)趨勢(shì)將從大功率向小功率產(chǎn)品轉(zhuǎn)移

Peter Huang表示，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(shì)日趨明顯。MPS 產(chǎn)品采用數(shù)字化內(nèi)核，具有豐富的可配置項(xiàng)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 均有集成功率管解決方案。

小功率隔離反激方案方面，MPS 有集成功率管和控制器方案。大功率的 LLC 方案方面，75W 輸出以上比較常用的PFC+LLC 架構(gòu)，MPS 也有獨(dú)立的 PFC 控制器和 LLC 控制器提供。?

其中，MPS的全集成反激控制器系列產(chǎn)品 MPX2002/3，將初次級(jí)控制器合封在一顆芯片內(nèi)，大大簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)快充電源的小型化提供了全新的思路。?

據(jù)介紹，傳統(tǒng)方案需要反激控制器、光耦、電壓基準(zhǔn)和同步整流控制器四顆 IC，而使用 MPX2002單IC 方案，集成了初級(jí)控制器和同步整流控制器。簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，提高了效率，減小了占板面積，降低待機(jī)功耗，增強(qiáng)可靠性，無(wú)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(yùn)行模式下能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的同步整流控制。MPX2003 把頻率進(jìn)一步提升到 130kHz 以上來(lái)滿(mǎn)足小型化需求。?

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MPX2002 VS. 傳統(tǒng)方案

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MPS 的AC/DC電源產(chǎn)品HR1211，也是一款典型的創(chuàng)新產(chǎn)品，集成了多模式 PFC 和電流型 LLC 的二合一控制器，集成了高壓電流源、安規(guī)認(rèn)證的X電容放電電路、PFC 和 LLC 的高壓驅(qū)動(dòng)電路。

?HR1211 典型應(yīng)用電路

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通過(guò)將HR1211 的數(shù)字控制內(nèi)核結(jié)合可重復(fù)編輯的存儲(chǔ)單元，整個(gè)方案實(shí)現(xiàn)了較大的靈活性，主要體現(xiàn)在：PFC 和 LLC 兩級(jí)電路之間的配合；不同控制模式之間的切換；關(guān)鍵工作點(diǎn)的開(kāi)關(guān)頻率；保護(hù)功能的閾值、時(shí)間以及恢復(fù)方式。所有這些主要功能都可以通過(guò)UART 通訊口進(jìn)行自由配置，并能夠在圖化操作界面上完成，使得基于HR1211的電源設(shè)計(jì)能夠靈活適應(yīng)不同應(yīng)用在不同設(shè)計(jì)中的性能要求。?

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Peter Huang表示，MPS 在 AC/DC 領(lǐng)域積淀多年，新型拓?fù)?、高集成度、高頻率、數(shù)字化是當(dāng)前的四大發(fā)展方向。其中，數(shù)字化是大趨勢(shì)，最初在大功率產(chǎn)品方面應(yīng)用較多，今后會(huì)逐漸向小功率產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，通過(guò)不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)、提升性能、滿(mǎn)足所有的能效規(guī)范，進(jìn)一步推動(dòng)更多優(yōu)秀解決方案應(yīng)用落地。