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從MPS產品解讀AC/DC電源發展趨勢

2021-09-07 來源:EEWORLD

所有電子設備運行都離不開電源,其中供電主要有兩種方式,分別為電池供電與交流供電,其中交流電是最為廣泛的一種方式,功率范圍從幾瓦到數千瓦,應用五花八門,涵蓋從家用電器到工業,而交流供電則包括了交流直接供電以及交流轉直流(AC/DC)供電兩種模式。


AC/DC轉換器從最早的線性元件演變成基于MOSFET的開關電源之后,效率、尺寸和價格有了明顯改善,但對于控制器IC的要求也在逐步提高,各種法規和要求需要改善電源的待機功率,并提高集成度。也正是因為需求不同,很少有半導體公司可以涵蓋廣泛的從消費到工業再到IT基礎設施的廣泛產品組合。MPS 在ACDC領域深耕多年,擁有業界領先的產品,涵蓋了市面上1~1000W的產品范圍,客戶遍布全球。


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MPS AC/DC產品布局,可以看到AC/DC應用無處不在。


日前,MPS AC/DC 產品總監黃萬年結合MPS的產品特性,詳細介紹了AC/DC產業發展趨勢。


AC/DC特性


AC/DC和DC/DC最大的不同就在于交流高壓側,會對人體造成危害,因此安規標準也是AC/DC電源最重要的。這其中包括了高壓電源的安全距離限制和絕緣限制,因此也使得AC/DC電源的功率密度提升變得困難。


其次,是AC端直接與電網相連接,所以要保證產品的EMC質量,包括防浪涌、防靜電、抗脈沖干擾、諧波失真等多個因素。


第三,是確保EMI合規,由于AC/DC電源與負載或下級DC/DC轉換相連,需要確保不會干擾到下游設備。


第四,則是能效標準要求,隨著人們對環保意識增強,越來越多的組織提出了新的能效要求,包括歐盟、美國能源部、能源之星等組織都相繼提出不同的能效認證指標,包括平均效率、輕負載效率、滿負載效率、待機功耗等等,并且標準也在逐年提升。AC/DC作為電源轉換的第一級,會直接影響整體效率。


AC/DC轉換架構


黃萬年介紹道,AC/DC相比于DC/DC來說,有以下幾點不同。首先是AC/DC轉換場景下,220V經過整流后電壓往往都達到了400V以上,對于器件的耐壓要求比較高。其次,AC/DC的高壓器件特性,使其開關頻率難以大幅度提升,通常只在200kHz以下。第三,由于交流電工作頻率是50Hz左右,因此電容等分立元件尺寸很難做小。此外,變壓器需要具有隔離要求,絕緣隔離尺寸難以進一步縮小。這一系列限制條件也給AC/DC轉換設計帶來了諸多困擾。


AC/DC轉換大致可分為單級轉換和兩級轉換兩種結構,其中單級轉換主要應用在小功率(<75W)場景中,和DC/DC類似,主要包括了BUCK轉換及Flyback兩種架構。


針對大功率(>75W)應用,主要采用PFC+LLC兩級結構,其中PFC用來滿足功率因數校正,提高電力的利用率并減少對電網的回流污染,而LLC則是為了提升電源轉換效率和密度,降低開關損耗。黃萬年表示,如今隨著LED街景照明的普及,有些地方已經規定大于25W的LED燈都需要PFC電路。


從手機充電器與IT基礎設施演進看AC/DC電源發展


黃萬年分別以手機充電器和服務器電源為例,結合了小功率和大功率兩方面市場,總結了AC/DC開關電源發展的四大趨勢,分別為小型化、高效率、低待機功耗和第三代半導體。


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以手機充電器為例,2005年,由于手機還是功能機時代,功能并不多,電池容量也不大,因此充電器還處在3.5W的水平,對于效率要求也不高,甚至還在使用三極管而不是MOSFET,而隨著智能手機的普及,對于充電效率、尺寸、充電功率以及待機功耗等都有了明顯提升。而最新的充電頭已經開始采用寬禁帶GaN材料,提升頻率和轉換效率。


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而針對服務器電源來說,如資料顯示,80PLUS十幾年來標準的不斷升級,已經足以證明對于效率的追求在不斷提升中。


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黃萬年以具體數字,解讀了目前針對AC/DC四大發展的要求。(如表所示)


每項技術的演進,都需要克服不小的技術挑戰。以電源的小型化來說,只有提高效率,減少散熱結構,才可以更好地實現小型化。業界正在通過更新的拓撲結構,更低的開關損耗來提高效率,通過更高的開關頻率減小電容電感等分立元件,通過更好的EMI特性減少磁珠尺寸,以及通過3D堆疊式結構設計減少整體占用空間。


黃萬年說道,電源設計是一個折中的工程學問題,頻率、效率和散熱問題并不是完全的線性關系。“過去硅MOSFET工作頻率最多就是100kHz左右,器件本身無法承受熱,因此可以通過選擇寬禁帶半導體來解決高頻和熱效應問題。”


解讀MPS產品組合


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MPS的產品可以覆蓋從100mW到1000W的AC/DC應用,廣泛的解決方案組合中包括控制器、穩壓器、同步整流器以及LDO等。這些先進的設備均采用緊湊型封裝,實現高效率、高可靠性和更長的使用壽命,并且通過降低成本與BOM,幫助工程師簡化設計過程并加快產品上市時間。


黃萬年表示,MPS AC/DC的產品發展方向具備四大要素,與電源需求發展方向一致。


首先,是利用多種新型拓撲提高效率。隨著不同拓撲結構的演進,MPS公司正在積極研發,比如使用PFC + LLC以及ACF+ZVS的混合拓方式以實現零打開損耗,同時回收漏感,可以達到93%以上的高效率。而針對目前IT基礎設施電源所關注的圖騰柱拓撲結構,MPS也希望推出相應的全數字集成式產品,以取代如今分立控制器方案。


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MPS拓撲控制發展方向介紹


其次,是采用全集成設計,以簡化設計,減少成本。


第三,是開發高頻率控制器,以支持寬禁帶功率半導體。


第四,是通過數字電源控制芯片實現更好的性能與更方便的設計。


黃萬年以MPS兩款新品為例,解讀了MPS AC/DC產品的四大發展策略。


全集成反激控制器MPX2002/3,將初級側控制器、次級側控制器、隔離、保護功能等全部集成至單芯片內。MPX2002在重載下可在CCM 下運行,然后在負載降低時切換至準諧振(QR)操作。如果負載進一步降低,MPX2002 將在跳頻(PFM)模式下工作。當其進入突發模式時,開關頻率固定為20kHz,從而降低噪聲。通過此特性,MPX2002可在所有負載條件下實現高效率,同時具有出色的電磁干擾(EMI)性能。傳統方案需要反激控制器、光耦、電壓基準和同步整流控制器四顆IC,而使用MPX2002單IC方案,集成了初級控制器和同步整流控制器。簡化了設計,提高了效率,減小了占板面積,降低待機功耗,增強可靠性,無需光耦反饋,防止光耦在高可靠性環境出現老化。特別在CCM運行模式下能夠實現更高精度的同步整流控制。MPX2003 工作頻率為130kHz 甚至300kHz,可以滿足小型化需求。


根據黃萬年給出的數據顯示,MPX2002/3應用到手機快充適配器上,與PD控制器的總計僅為30mW,遠遠低于目前業界普遍的75mW。


“分立器件需要考慮環路設計、同步整流調整等復雜設置,而現在全集成方案下,設計幾個電阻就可以得到最佳效率方案,可以極大簡化工程師的設計。”黃萬年總結道。


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與分立方案相比,MPX2002/3的方案具有高集成,低功耗,高可靠性,設計便捷等多重優勢


HR1211則是一款集成多模式PFC和電流型LLC的二合一控制器,主要應用在數百瓦的IT基礎設施電源中。芯片集成了高壓電流源、安規認證的X電容放電電路、PFC和LLC的高壓驅動電路,從而實現了非常簡潔的外圍電路。


HR1211的數字控制內核結合可重復編輯的存儲單元,賦予了整個方案強大的靈活性。PFC和LLC兩級電路之間的配合;不同控制模式之間的切換;關鍵工作點的開關頻率;保護功能的閾值、時間以及恢復方式;所有這些主要的功能都可以通過UART的通訊口進行自由配置,并能夠在圖化操作界面上完成,這使得基于HR1211的電源設計能夠靈活的適應不同應用在不同設計中的性能要求。


黃萬年表示,超過75W的電源應用多種多樣,比如筆記本、臺式機、電動車充電、USB-PD充電等多種形態,每個產品需求不同,通過全數字化的控制器,可以快速應對多個電源平臺設計,并且還可以通過加密實現IP保護。


總結——MPS將不斷應對電源領域的挑戰


黃萬年總結道,AC/DC由于其特性,集成度和效率的提升相對DC/DC緩慢,并且由于安規、EMI、散熱等問題存在,給工程師設計優化帶來了很大麻煩。盡管困難,但AC/DC市場是電源管理中必不可少的,作為深耕AC/DC領域十余載的MPS,正在通過四大發展方向,不斷滿足業界對于高效率的挑戰,助力電源產業不斷朝向綠色節能的目標發展。

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