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[导读]“未来MPS将继续在AC/DC这个赛道做到业界领先的地位”,MPS AC/DC产品总监Peter Huang在日前“秀出”其在AC/DC方向的理解和产品。

AC/DC和DC/DC虽然长得好似一对“双胞胎”,但两者都有各自的独特特性。根据从事多年电源研发的一线工程师叙述,AD/DC和DC/DC存在很大差别,从产品设计、器件选择、EMI、热设计、可靠性目标上来说,AC/DC很复杂很难把握。

实际上,AC/DC又遍布人们的生活,诸如手机充电头、LED街灯。“未来MPS将继续在AC/DC这个赛道做到业界领先的地位”,MPS AC/DC产品总监Peter Huang在日前“秀出”其在AC/DC方向的理解和产品。

AC/DC独特特性产生的限制

AC/DC独特特性在于前向会接入高压系统,即直接接触电网。普遍来说电网的电压都在85V~264V,这样的一个交流低频输入导致会有触电危险,因此在做AC/DC产品时,特别是与生活息息相关的充电头要做到不能触电。而在AC/DC转换后到DC/DC中电压已降低到48V/12V/9V/5V,因此二者设计上的区别是非常大的。

AC/DC最为重要的是安规,根据Peter的解释,因为AC/DC是高压电源,所以PCB板设计时就会考虑安全距离,比如600V下小于规定毫米数就会放点,因此AC/DC的最小Layou板距离都有限制。而在绝缘标准的考核上,AC/DC也非常的严苛。“因此在安全距离和绝缘标准的双重限制之下,AC/DC的功率密度就会有所限制”,Peter坦言。

AC/DC还会要满足许多标准,Peter表示,因为AC/DC会接入电网,因此必须要满足EMC标准,即EN61000-x-x(ESD、EFT、Surge、THD)中的规定;电源设计本身还会产生噪声,为确保不被噪声干扰,需要满足EMI电磁干扰的FCC和VDE标准;另外,在能效方面EnergyStar、Coc、DOE、Erp几大机构会对平均效率、轻负载效率要求和待机功耗有所要求。

从结构来讲,AC/DC分为单级AC/DC和两级AC/DC。单级AC/DC方面,普遍来说均在75W以下,前面不需要PFC,Buck结构功率在10W以下。所有家电都会存在Buck结构,架构发展经历了RCC、Flyback、QR-Flyback(准谐振)。两级AC/DC则均在75W以上,外部电源普遍均采用这种两级结构,典型结构为BoostPFC+LLC。

“AC/DC能够用到的领域和DC/DC是一样的,因为在使用DC/DC前面必须要配置一个AC/DC”,Peter介绍表示,AC/DC可以广泛应用在家电、工业设备、快充和PD3.1、游戏机、PC电源、智能电视、LED街灯、PV逆变器、服务器电源、OBC/车载充电器上。

AC/DC市场发展迅猛,小功率AC/DC市场方面,从2005年到2020年功率从3.5W提升至65W,功率密度0.1W/cc提升到0.97W/cc,待机功耗从0.3W降低到0.075W,材料从硅变为氮化镓。

中大功率AC/DC市场方面,以ATX电源12V/350W为例,以230VEUInternal 80PLUS认证标准下的白牌、铜牌、银牌、金牌、铂金、钛金均取得了更高的效率,更低的待机功耗(ErPLot6),并且市场大部分厂商都努力以钛金标准进行产品的制造。

新型拓扑是解决行业挑战的关键

纵观整个开关电源,正在向小型化、高效率、低待机功耗进发。具体来说,实现小型化之路的关键就是将功率密度做高,根据Peter的介绍,一些适配器的功率密度基本上已经超过1.2W/cc,350W通信模块已经能超过10W/cc;效率方面,65W开关电源已经能够做到满载92%以上,300W开关电源由于是不同架构(PFC+LLC)能够做到满载95%以上,ATX电源则努力朝向钛金标准50%载96%以上效率;待机功耗方面,CoC曾在2015年规定要从300mW降低到75mW,ErP则规定在0.5W的轻载效率要达到50%以上;除此之外,第三代半导体的应用也从材料的角度促进了高效率和小型化,因其开关损耗极小,能够将频率提升数十倍甚至百倍。

小型化是开关电源的趋势,但在此同时也会迎来挑战。将产品做得越来越小,除了要将功率密度做得越来越高,也会采取一些堆叠设计、IC集成设计,将整体尺寸进一步压缩。但在器件大小之下,效率、频率、热之间的平衡成为了一大课题。

“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”,Peter为记者解释为了应对这种挑战,业界会采用更好的热设计和高级拓扑来减少损耗,以此获得更高的效率;采用更小的无源器件,以此获得更高的开关频率。

“新型拓扑可以提高效率,作为IC公司,着力点肯定是新型拓扑”,Peter表示AC/DC的架构会影响到其工作效率,存在开关损耗并带来散热问题。而新型拓扑可以提高效率,MPS着力于新型拓扑,在提高效率的同时也可以提高频率。”

QR-Flyback已经是10年前诞生的结构,QR-Flyback目的是提高频率,减少开关损耗,但用到的是硅器件。另外这个结构仍然存在开通损耗和关断损耗问题。因此市场诞生了ACF+ZVS拓扑架构,能够满足零开断损耗和漏感回收。ACF(源钳位反激)能做到漏感回收,有效解决了Flyback架构每次开通时带来的漏感问题。漏感回收可以帮助提升效率和频率。

电源设计小尺寸是趋势所向,通过提升效率来做到小型化。而小型化也将面临散热的挑战,优化散热可以减少散热的结构。同样还能通过高级拓扑来减少开关损耗做到提升效率,进而达到小型化。MPS正是采用先进的新型拓扑结构设计产品,向高功率小型化稳步发展。

MPS则可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。

MPS拥有强大的AC/DC产品阵容

据介绍,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。

在产品方面,MPS的AC/DC分成2类,一类是非隔离的,一类是隔离的。笔者了解到,MPS一直以来的强调产品的整体性和可组合性,AC/DC上也不例外,通过介绍不难看出,MPS的方案既有分开的也有合并的,通过这种自由组合使得用户可以根据后端需求进行方案选择。

Peter强调,MPS在AC/DC产品发展方向遵循四个原则:新型拓扑可以提高效率;高级集成度可以简化设计;高频率以适应新一代功率器件;数字化产品可以实现更好的性能。

Peter为记者展示了两个AC/DC的优秀产品。第一个产品是MPX2002/3,MPS称之为MPX2002/3。该方案拥有更高的效率、更好的保护特性、更小的封装、更优的可靠性和更快的上市时间。

据介绍,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。

第一个产品是高集成高性能的HR1211芯片,该产品为数字化PFC+LLC组合控制器,也是MPS的AC/DC成名之作。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。

据介绍,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。

在面对发展愈来愈快,竞争愈来愈大的快充市场,Peter表示,在整个市场越做越小,效率越做越高的时代下,MPS会追求更好更优的方案,不会再回到原来的Flyback上面去了,将会继续走氮化镓和全新拓扑之上,未来也会继续解决高频化、减少开关损耗、回收能量以提高效率。

最后,Peter还预告了MPS在AC/DC上的未来,更多新产品将会不断面世。未来,MPS在AC/DC上的整个产品线和组合性也将会越来越宽广和自由。

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