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提升,尺寸也大大减少,不断向小型化、轻量化的趋势发展。 

 

MPS在DC/DC、AC/DC、智能电机等领域深耕多年,在AC/DC电源领域涵盖了1~1kW的产品范围。随着环保新规范的出台以及第三代半导体时代的到来,MPS在AC/DC 电源领域将继续迎接新的市场挑战。

 

开关电源面临哪些挑战?

 

MPS AC/DC产品总监Peter Huang表示,开关电源的挑战在不断升级。首先体现在安规及标准方面,例如高压电源的安全距离限制、绝缘标准等,以及EMC、EMI、平均效率、轻负载效率要求、待机功耗等方面,都有相应的严苛要求。

 

其次,在AC/DC的拓扑结构方面,也面临升级需求。从单级Buck/Flyback结构,正在向多种新型拓扑方向发展,以提高效率。例如使用 PFC + LLC 以及 ACF+ZVS 的混合拓扑方式,实现零打开损耗,同时回收漏感,可以达到93%以上的高效率。 

 

此外,伴随着小型化、低功耗等发展趋势,小功率领域以典型的充电器演进为例,2005年左右不到3.5W,频率很低、功率密度约为0.1W左右、待机功耗要求也并不高。 随着智能手机的普及,待机功耗的要求更高,频率、效率、功率密度都在不断提升。

 


 
中大功率领域也是如此,一直在追求更高的效率、更低的待机功耗。65W以上的应用,如LED灯、机箱电源、Notebook等,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。

 

 

Peter Huang补充,随着第三代半导体的应用,业界需要高频化的芯片,来适应新一代的功率器件。这是因为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。 

 

小尺寸成为趋势所向

 

小型化是开关电源显著的发展趋势,如何实现更小的尺寸?Peter Huang表示,更高的效率、更高的开关频率、堆叠或集成的方式,都在推动小尺寸的发展。

 

提高效率是必经之路

 

具体而言,推动小尺寸最重要的就是提高效率,这是最根本的方向,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。 

 

新的开关拓扑,如新型反激拓扑 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。 

 

通过GaN+新型拓扑来提高效率

 

更高的开关频率有助于减小尺寸

 

此外,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30kHz发展到现在200kHz,几乎已经碰到 硅的物理瓶颈。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。 

 

机械设计改进带来的空间优化

 

通过机械设计的改进也有助于实现小型化。Peter Huang表示,这也是门槛较高的一点,需要一定的设计“功力”来充分利用空间。

 

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。在MPS 最新一代解决方案,通过1颗IC囊括了原边和同步控制器,占板面积小,成本效益高。 


数字电源设计趋势将从大功率向小功率产品转移

 

Peter Huang表示,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 产品采用数字化内核,具有丰富的可配置项目,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 均有集成功率管解决方案。

 

小功率隔离反激方案方面,MPS 有集成功率管和控制器方案。大功率的 LLC 方案方面,75W 输出以上比较常用的PFC+LLC 架构,MPS 也有独立的 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产品 MPX2002/3,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。 

 

据介绍,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。 

 
MPX2002 VS. 传统方案

 

MPS 的AC/DC电源产品HR1211,也是一款典型的创新产品,集成了多模式 PFC 和电流型 LLC 的二合一控制器,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。

 


 HR1211 典型应用电路

 

通过将HR1211 的数字控制内核结合可重复编辑的存储单元,整个方案实现了较大的灵活性,主要体现在: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。所有这些主要功能都可以通过UART 通讯口进行自由配置,并能够在图化操作界面上完成,使得基于HR1211的电源设计能够灵活适应不同应用在不同设计中的性能要求。 

 

 
Peter Huang表示,MPS 在 AC/DC 领域积淀多年,新型拓扑、高集成度、高频率、数字化是当前的四大发展方向。其中,数字化是大趋势,最初在大功率产品方面应用较多,今后会逐渐向小功率产品转移,通过不断优化设计、提升性能、满足所有的能效规范,进一步推动更多优秀解决方案应用落地。