【導(dǎo)讀】開關(guān)電源在80年代替代線性電源之后，電源效率得到了極大的提升，尺寸也大大減少。隨著開關(guān)電源在各個(gè)應(yīng)用上的不斷發(fā)展和消費(fèi)者對(duì)便攜性的要求，開關(guān)電源繼續(xù)朝著小型化，輕量化的趨勢(shì)發(fā)展。近年來(lái)，碳達(dá)峰、碳中和“3060”目標(biāo)開啟了低碳新時(shí)代，隨著節(jié)能減排的要求越來(lái)越嚴(yán)，人們對(duì)環(huán)保節(jié)能低耗綠色提出了更高要求，對(duì)開關(guān)電源的能效標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越嚴(yán)。比如，歐盟執(zhí)委會(huì)最新的CoCV5六級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)第二階段，美國(guó)能源部DoE6六級(jí)能效都對(duì)空載功耗、效率提出了更高的要求，來(lái)達(dá)到節(jié)能減排的目的。
低碳時(shí)代到來(lái)，引領(lǐng)小型化和高效率趨勢(shì)
開關(guān)電源在80年代替代線性電源之后，電源效率得到了極大的提升，尺寸也大大減少。隨著開關(guān)電源在各個(gè)應(yīng)用上的不斷發(fā)展和消費(fèi)者對(duì)便攜性的要求，開關(guān)電源繼續(xù)朝著小型化，輕量化的趨勢(shì)發(fā)展。近年來(lái)，碳達(dá)峰、碳中和“3060”目標(biāo)開啟了低碳新時(shí)代，隨著節(jié)能減排的要求越來(lái)越嚴(yán)，人們對(duì)環(huán)保節(jié)能低耗綠色提出了更高要求，對(duì)開關(guān)電源的能效標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越嚴(yán)。比如，歐盟執(zhí)委會(huì)最新的CoCV5六級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)第二階段，美國(guó)能源部DoE6六級(jí)能效都對(duì)空載功耗、效率提出了更高的要求，來(lái)達(dá)到節(jié)能減排的目的。
開關(guān)電源的挑戰(zhàn)不斷升級(jí)
提高開關(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)生的開關(guān)損耗限制了其開關(guān)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(jīng)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(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。
提高效率成為必經(jīng)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(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)通過高頻化設(shè)計(jì)，功率密度才會(huì)大大的提升。
想要提高效率，可以通過新的開關(guān)拓?fù)?，譬如新型的反激拓?fù)銩CF（Active-Clamp Flyback）就可以消除開通損耗，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。
圖1：GaN+新型拓?fù)涮岣咝?/div>
MPS 在ACDC領(lǐng)域深耕多年，擁有業(yè)界領(lǐng)先的產(chǎn)品，涵蓋了市面上1~1000W的產(chǎn)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(tái)以及第三代半導(dǎo)體時(shí)代的到來(lái)，MPS的AC/DC電源產(chǎn)品不斷精進(jìn)技術(shù)和性能，迎合市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)：
● 利用多種新型拓?fù)涮岣咝剩罕热缡褂肞FC + LLC以及ACF+ZVS的混合拓方式以實(shí)現(xiàn)零打開損耗，同時(shí)回收漏感，可以達(dá)到93%以上的高效率。
● 采用全集成設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，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(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；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(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，占板面積小，成本效益高。
● 高頻化的芯片以適應(yīng)新一代功率器件：傳統(tǒng)硅器件的開關(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。
● 數(shù)字化產(chǎn)品可以實(shí)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(shì)日趨明顯，MPS的產(chǎn)品采用數(shù)字化內(nèi)核，具有非常豐富的可配置項(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均有集成功率管的解決方案。對(duì)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(gòu)，MPS有獨(dú)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(chǎn)品MPX2002/3，創(chuàng)新性地將初次級(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。
圖3：MPX2002典型應(yīng)用電路（原邊+ 副邊+ 反饋）
MPX2002在重載下可在CCM 下運(yùn)行，然后在負(fù)載降低時(shí)切換至準(zhǔn)諧振（QR）操作。如果負(fù)載進(jìn)一步降低，MPX2002 將在跳頻（PFM）模式下工作。當(dāng)其進(jìn)入突發(fā)模式時(shí)，開關(guān)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(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)高效率，同時(shí)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(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(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，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(rèn)證的X電容放電電路、PFC和LLC的高壓驅(qū)動(dòng)電路，從而實(shí)現(xiàn)了非常簡(jiǎn)潔的外圍電路。
圖5：HR1211的典型應(yīng)用電路
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，賦予了整個(gè)方案強(qiáng)大的靈活性。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；所有這些主要的功能都可以通過UART的通訊口進(jìn)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(shè)計(jì)能夠靈活的適應(yīng)不同應(yīng)用在不同設(shè)計(jì)中的性能要求。
圖6：HR1211應(yīng)用場(chǎng)景
MPS在AC/DC領(lǐng)域技術(shù)沉淀多年，目前已有多種優(yōu)秀解決方案深受業(yè)界好評(píng)，未來(lái)會(huì)有更多新品不斷面市。
關(guān)于MPS
芯源系統(tǒng)股份有限公司（Monolithic Power Systems, Inc.，簡(jiǎn)稱MPS），是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，專注于高性能模擬集成電路和混合信號(hào)集成電路的設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造和銷售，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車電子、云計(jì)算、存儲(chǔ)、通訊、工業(yè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。MPS創(chuàng)建于1997年，2004年在納斯達(dá)克（NASDAQ）成功上市，目前市值超150 億美元。經(jīng)過20余年的全球市場(chǎng)拓展，目前MPS在亞太、北美、歐洲等地區(qū)設(shè)有16家分支機(jī)構(gòu)，業(yè)務(wù)覆蓋全球30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，全球客戶超10000家，累計(jì)出貨1000億顆芯片。
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