如何使用反激式实现电压的稳定及恒定电流的控制

电气设备需要多种直流电压供电才能进行工作，可以使用反激式加多个降压/升压变换器实现电压的稳定及恒定电流的控制。但传统的多路输出电源也面临着不同的技术挑战，例如在设计时需要权衡效率、空载功耗、输出精度。从当前的解决方案来看，要做到这三者之间的权衡还有一定难度。 一般而言，单输出电源只要有反馈电路就能非常稳定地输出，但多输出电源有所不同。以一个三路输出电源的电路结构为例，一般有辅助输出、主输出、反馈电路。由于传统多路输出反激式开关电源仅对主输出进行稳压调节，主输出经过反馈电路可以得到稳定的电压，但辅助输出不经过反馈电路，电压会随输出负载条件出现变化，也就是大家所熟知的交叉调整率指标。这也是多路输出电源的难点之一：如何得到精确且稳定的输出是每个电源工程师不得不面对的设计挑战。

多路输出电源的电路结构

根据终端客户需求的不同，芯片厂商给出了不同的解决方案，PI资深技术培训经理阎金光分享了不同方案类型带来了效果对比。 例如采用输出未经调整的多路输出反激式电源的方案，能够实现高效率、较低的空载功耗，但会牺牲输出精度。如果采用多路输出反激+加权反馈+假负载的方案，能够得到高效率、高输出精度，但空载功耗较高。如果采用了单输出的反激电源+降压变换器稳压+假负载，能够得到较好的输出精度，但空载功耗比较高，且效率也只是中等水平。 可以看到，在不同情况下，不同的组合方式依旧难以实现效率、空载功耗、输出精度三者的权衡，且不同方案对成本也会有所影响。通过加权反馈或者是添加降压型变换器的方式虽然能改善稳压精度，但在峰值充电、“能量不足”的情况下也会出现输出电压忽高忽低的稳定性问题。 在认识到多路输出电源的技术挑战之后，PI提供了新的解决方案。在2月27日，PI正式发布InnoMux-2™系列单级独立稳压的多路输出离线式电源IC。 根据介绍，InnoMux-2 IC将AC-DC和后级DC-DC变换级整合到单个芯片中，提供三个独立稳压输出，且改善了多路输出离线式电源变换的设计，能配置多个恒压(CV)和恒流(CC)输出组合，且每个输出均进行独立的稳压调整。 InnoMux-2 IC相较于传统的两级架构，无需使用单独的后级DC-DC变换级，元件数目减少约50%，可大大减小PCB板的占板尺寸。官方介绍，InnoMux-2 IC可以提供的输出功率可达100W，并且在整个输入电压、负载范围、温度及负载电流跳变的条件下满足优于±3%的调整精度。另外，InnoMux-2 IC在效率和功耗上都实现了不同的升级。 在效率方面，InnoMux-2 IC采用一个单级的架构，750V PowiGaN™氮化镓开关管、零电压开关(无需有源钳位)和同步整流技术，能够让系统效率最多提高10%。 PI举了一个例子，在一个12V恒压的单输出电源中，最终的系统效率为92%。在一个多输出+后级稳压器电源架构中，输出5V CV、12V CV、30V CC，经过二次变换后的系统效率只有80%。而InnoMux-2多路输出的方案中引入氮化镓开关管，通过对输出能量加以引导，在没有采用后级稳压器的情况下还能将系统效率提升10%，达到90%。

InnoMux-2 在系统效率上的表现(图源：PI)

针对功耗的管理，能源之星®和欧盟标识指令对设备的功耗进一步进行了限制，欧洲用电产品(EuP)指令规定设备在待机状态下的功耗需要到300mW以下。因此电源管理系统需要在功耗上实现进一步的迭代，特别是智能家电应用场景，而为了维持输出电压稳定的泄放电路不执行任何有效的工作，但在待机状态下会消耗大量的能量。如果采用InnoMux-2 IC解决方案，则无需在输出端采用泄放电阻，进而可将待机功耗改善20%，保证300mW的待机功耗要求。 在应用场景上，大多数嵌入式系统都需要多轨供电，InnoMux-2能够在一定程度上很好地解决多路输出电源在功耗、效率等方面的技术挑战，适合于白色家电、工业系统、显示器等需要多组供电电压的应用场景。 阎金光介绍，InnoMux-2方案支持各种输出组合，例如应用在电视、照明场景，可以使用一路恒压和一路恒流输出的方式;针对高端显示器可以采用一路恒压及最多八路的恒流输出的方式。另外，PI还推出了62W工业及电器类应用电源(3组CV输出)等多个参考设计。这些革命性的高输出精度单级多路输出变换器的设计，一定会给工程师带来新的设计选择。