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揭秘“低碳时代”AC/DC电源的新趋势

时间:2021-09-08 作者:邵乐峰 阅读:
随着以碳达峰、碳中和为目标的“低碳时代”的到来,AC/DC开关电源继续朝着小型化,高频化,高集成,高密度方向发展的趋势已不可阻挡。
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尽管AC/DC开关电源在80年代替代线性电源之后,电源效率得到了极大的提升,尺寸也大大减少。但近年来,节能减排的要求越来越严,人们对环保节能低耗绿色提出了更高要求,对开关电源的能效标准也越来越严。尤其是随着以碳达峰、碳中和为目标的“低碳时代”的到来,开关电源继续朝着小型化,轻量化方向发展的趋势已不可阻挡。

AC/DC应用无处不在

以典型的小功率充电器市场为例,从2005年左右的3.5W/功率密度0.1W,演进到2020年65W/功率密度0.97W,待机功耗的要求更高,频率、效率、功率密度也都在不断提升。

65W以上的中大功率领域,如LED灯、机箱电源、Notebook等应用,也呈现着类似的趋势,始终追求更高的效率、更低的待机功耗。80 Plus的认证标准对此有不同的等级区分,近年来的趋势是越来越多的品牌认证从低端走向高端,效率越来越高。

“提高效率是小型化的必要途径。”MPS AC/DC产品总监黄万年指出,提高效率带来的是一连串的“链式反应”——高效率意味着它可以减少损耗和散热,给小型化提供了必要的条件。只有效率提升了,单位体积散热减少,同时通过高频化设计,功率密度才会大大的提升。 

而想要提高效率,从单级Buck/Flyback结构向采用新型开关拓扑方向发展,正成为研究热点。譬如新型的反激拓扑ACF(Active-Clamp Flyback)就可以消除开通损耗,同时做到隔离变压器的漏感回收,采用PFC+LLC以及ACF+ZVS这样的混合拓扑方式,能够实现93%以上的高效率。而针对目前IT基础设施电源所关注的图腾柱拓扑结构,MPS也希望推出相应的全数字集成式产品,以取代如今分立控制器方案。

如果再加上第三代半导体功率器件的快速关断,开关损耗可以降到忽略不计。提升了效率,同时让电源的设计频率不会受到功率器件的限制,大大地加速了小型化。

第三代半导体GaN+新型拓扑提高开关电源效率

提高开关频率可以大大减少无源器件的尺寸,包括电感、电容及变压器。对于AC/DC离线开关电源,其输入端是50Hz/60Hz 230V的交流输入,高电压的高频切换产生的开关损耗限制了其开关速度,传统700V硅功率器件从开始的30kHz发展到现在200kHz,已经碰到Si的物理瓶颈。在AC/DC电源中,除了高压功率器件的开关频率限制,隔离变压器的高频化设计也要兼顾安全和效率,随着频率的增加,单位体积散热的增加也大大制约了频率的提升。 

MPS的解决之道

MPS在DC/DC、AC/DC、智能电机等领域深耕多年,可以提供0-1000W全系列的AC-DC电源解决方案,从1W输出的智能LDO和Buck非隔离方案,到10W输出的非隔离降压方案,MPS均有集成功率管的解决方案。对于小功率隔离反激方案,MPS能够提供集成功率管和控制器的方案;对75W输出以上的大功率LLC方案,比较常用的PFC+LLC架构,MPS有独立的PFC控制器和LLC控制器提供。 

MPS ACDC电源解决方案

未来,随着“更绿色/环保”的新规范的出台以及第三代半导体时代的到来,除了前文谈及的利用多种新型拓扑提高效率以下三方面也将成为MPS AC/DC电源产品未来的重点发展方向:

  • 采用全集成设计,以简化设计,减少成本

传统的非隔离式AC/DC解决方案通常需要使用多颗IC,同时还需配备原边及副边控制器以及光隔离器等,占板面积大,BOM成本高;MPS最新一代解决方案尺寸紧凑,集成度高,1颗IC即可囊括原边和同步控制器,设计简洁,占板面积小,成本效益高。 但黄万年表示,通过机械设计的改进也有助于实现小型化,但门槛相对较高,没有一定的设计功力与经验,很难达成。

  • 高频化的芯片以适应新一代功率器件

传统硅器件的开关频率低,效率也很难提高,随着GaN等新型半导体材料的出现,其开关频率及效率都得到大大提高,高频设计更加符合新型功率器件的要求。 

“电源设计是一个折中的工程学问题,频率、效率和散热问题并不是完全的线性关系。”黄万年说,过去,硅MOSFET工作频率最多只能达到100kHz左右,器件本身无法承受热,但现在有了宽禁带半导体,高频和热效应问题就得到了很好的解决。

  • 数字化产品可以实现更好的性能

传统的模拟控制器很难跟上日新月异的变化,新一代数字电源芯片的优势日趋明显,MPS的产品采用数字化内核,具有非常丰富的可配置项目,相比传统控制器,具有更多的灵活性。

全集成反激控制器系列产品MPX2002/3和集成多模式PFC和电流型LLC的二合一控制器HR1211,是MPS AC/DC极具代表性的两款产品。前者创新性地将初次级控制器合封在一颗芯片内,大大简化了外围电路设计,为实现快充电源的小型化提供了全新的思路;后者集成了高压电流源、安规认证的X电容放电电路、PFC和LLC的高压驱动电路,从而实现了非常简洁的外围电路。 

MPX2002典型应用电路Demo板

HR1211的典型应用电路

具体而言,MPX2002在重载下可在CCM下运行,然后在负载降低时切换至准谐振(QR)操作。如果负载进一步降低,MPX2002将在跳频(PFM)模式下工作。当其进入突发模式时,开关频率固定为20kHz,从而降低音频噪声。通过此特性,MPX2002可在所有负载条件下实现高效率,同时具有出色的电磁干扰(EMI)性能。

与需要反激控制器、光耦、电压基准和同步整流控制器四颗IC的传统方案相比,集成了初级控制器和同步整流控制器的MPX2002单芯片方案,简化了设计,提高了效率,减小了占板面积,降低待机功耗,增强可靠性,无需光耦反馈,防止光耦在高可靠性环境出现老化。特别在CCM运行模式下,该系列能够实现更高精度的同步整流控制。

MPX2002 VS. 传统方案

“分立器件需要考虑环路设计、同步整流调整等复杂设置,而现在全集成方案下,设计几个电阻就可以得到最佳效率方案,可以极大简化工程师的设计。”黄万年说。

数据显示,如果在手机快充适配器上使用MPX2002/3,其与PD控制器的总计功耗仅为30mW,远远低于目前业界普遍的75mW。

HR1211的数字控制内核结合可重复编辑的存储单元,赋予了整个方案强大的灵活性。PFC和LLC两级电路之间的配合;不同控制模式之间的切换;关键工作点的开关频率;保护功能的阈值、时间以及恢复方式;所有这些主要的功能都可以通过UART的通讯口进行自由配置,并能够在图化操作界面上完成,这使得基于HR1211的电源设计能够灵活的适应不同应用在不同设计中的性能要求。 

HR1211应用场景

总体而言,AC/DC由于其特性,集成度和效率的提升相对DC/DC缓慢,并且由于安规、EMI、散热等问题,给工程师设计优化带来了很大挑战。但黄万年表示,AC/DC是电源管理市场中必不可少的组成部分,直面高效率和绿色节能目标,将是所有从业者面临的共同任务。

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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