低碳时代到来，引领小型化和高效率趋势

 

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。随着开关电源在各个应用上的不断发展和消费者对便携性的要求，开关电源继续朝着小型化，轻量化的趋势发展。近年来，碳达峰、碳中和“3060”目标开启了低碳新时代，随着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。比如，欧盟执委会最新的CoCV5六级能效标准第二阶段，美国能源部DoE6六级能效都对空载功耗、效率提出了更高的要求，来达到节能减排的目的。

 

开关电源的挑战不断升级

 

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。

 

提高效率成为必经之路

 

提高效率是小型化的必要途径，它不但可以减少损耗，同时还能减少散热，给高频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。

 

想要提高效率，可以通过新的开关拓扑，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，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。

 

图1：GaN+新型拓扑提高效率

 

MPS 在ACDC领域深耕多年，拥有业界领先的产品，涵盖了市面上1~1000W的产品范围，客户遍布全球。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，MPS的AC/DC电源产品不断精进技术和性能，迎合市场的发展趋势：

 

● 利用多种新型拓扑提高效率：比如使用PFC + LLC以及ACF+ZVS的混合拓方式以实现零打开损耗，同时回收漏感，可以达到93%以上的高效率。

 

● 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。

 

● 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。

 

● 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。

 

MPS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输出以上，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。

 

图2：MPSACDC电源解决方案

 

其中，全集成反激控制器系列产品MPX2002/3，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。

 

图3：MPX2002典型应用电路（原边+ 副边+ 反馈）

 

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。传统方案需要反激控制器、光耦、电压基准和同步整流控制器四颗IC，而使用MPX2002单IC方案，集成了初级控制器和同步整流控制器。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运行模式下能够实现更高精度的同步整流控制。MPX2003 把频率进一步提升到130kHz 以上来满足小型化需求。

 

图4：MPX2002 VS.传统方案

 

MPS AC/DC的另一款成名之作HR1211，也充分地体现了MPS的产品优势，这是一款集成多模式PFC和电流型LLC的二合一控制器。芯片集成了高压电流源、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。

 

图5：HR1211的典型应用电路

 

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。

 

图6：HR1211应用场景

 

MPS在AC/DC领域技术沉淀多年，目前已有多种优秀解决方案深受业界好评，未来会有更多新品不断面市。

 

关于MPS

 

芯源系统股份有限公司（Monolithic Power Systems, Inc.，简称MPS），是全球领先的半导体公司，专注于高性能模拟集成电路和混合信号集成电路的设计、研发、制造和销售，产品广泛应用于汽车电子、云计算、存储、通讯、工业、消费电子等领域。MPS创建于1997年，2004年在纳斯达克（NASDAQ）成功上市，目前市值超150 亿美元。经过20余年的全球市场拓展，目前MPS在亚太、北美、欧洲等地区设有16家分支机构，业务覆盖全球30多个国家和地区，全球客户超10000家，累计出货1000亿颗芯片。