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MPS攜新型ACDC電源解決方案迎接低碳新時代

2021-09-06 來源:EEWORLD

低碳時代到來,引領小型化和高效率趨勢


開關電源在80年代替代線性電源之后,電源效率得到了極大的提升,尺寸也大大減少。隨著開關電源在各個應用上的不斷發展和消費者對便攜性的要求,開關電源繼續朝著小型化,輕量化的趨勢發展。近年來,碳達峰、碳中和“3060”目標開啟了低碳新時代,隨著節能減排的要求越來越嚴,人們對環保節能低耗綠色提出了更高要求,對開關電源的能效標準也越來越嚴。比如,歐盟執委會最新的CoCV5六級能效標準第二階段,美國能源部DoE6六級能效都對空載功耗、效率提出了更高的要求,來達到節能減排的目的。


開關電源的挑戰不斷升級


提高開關頻率可以大大減少無源器件的尺寸,包括電感、電容及變壓器。對于AC/DC 離線開關電源,其輸入端是50Hz/60Hz 230V的交流輸入,高電壓的高頻切換產生的開關損耗限制了其開關速度,傳統700V硅功率器件從開始的30kHz發展到現在200kHz,已經碰到Si的物理瓶頸。在AC/DC 電源中,除了高壓功率器件的開關頻率限制,隔離變壓器的高頻化設計也要兼顧安全和效率,隨著頻率的增加,單位體積散熱的增加也大大制約了頻率的提升。


提高效率成為必經之路


提高效率是小型化的必要途徑,它不但可以減少損耗,同時還能減少散熱,給高頻小型化提供了必要的條件。只有效率提升了,單位體積散熱減少,同時通過高頻化設計,功率密度才會大大的提升。


想要提高效率,可以通過新的開關拓撲,譬如新型的反激拓撲ACF(Active-Clamp Flyback)就可以消除開通損耗,同時做到隔離變壓器的漏感回收,加上第三代半導體功率器件的快速關斷,開關損耗可以降到忽略不計。提升了效率,同時讓電源的設計頻率不會受到功率器件的限制,大大地加速了小型化。


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圖1:GaN+新型拓撲提高效率


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。隨著“更綠色/環保”的新規范的出臺以及第三代半導體時代的到來,MPS的AC/DC電源產品不斷精進技術和性能,迎合市場的發展趨勢:


● 利用多種新型拓撲提高效率: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。


● 采用全集成設計,以簡化設計,減少成本:傳統的非隔離式AC/DC解決方案通常需要使用多顆IC,同時還需配備原邊及副邊控制器以及光隔離器等,占板面積大,BOM成本高;MPS最新一代解決方案尺寸緊湊,集成度高,1顆IC即可囊括原邊和同步控制器,設計簡潔,占板面積小,成本效益高。


● 高頻化的芯片以適應新一代功率器件:傳統硅器件的開關頻率低,效率也很難提高,隨著GaN等新型半導體材料的出現,其開關頻率及效率都得到大大提高,高頻設計更加符合新型功率器件的要求。


● 數字化產品可以實現更好的性能:傳統的模擬控制器很難跟上日新月異的變化,新一代數字電源芯片的優勢日趨明顯,MPS的產品采用數字化內核,具有非常豐富的可配置項目,相比傳統控制器,具有更多的靈活性。


MPS可以提供0-1000W全系列的AC-DC電源解決方案,從1W輸出的智能LDO和Buck非隔離方案,到10W輸出的非隔離降壓方案,MPS均有集成功率管的解決方案。對于小功率隔離反激方案,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輸出以上,比較常用的PFC+LLC架構,MPS有獨立的PFC控制器和LLC控制器提供。


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圖2:MPSACDC電源解決方案


其中,全集成反激控制器系列產品MPX2002/3,創新性地將初次級控制器合封在一顆芯片內,大大簡化了外圍電路設計,為實現快充電源的小型化提供了全新的思路。


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圖3:MPX2002典型應用電路(原邊+ 副邊+ 反饋)


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,從而降低音頻噪聲。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 把頻率進一步提升到130kHz 以上來滿足小型化需求。


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圖4:MPX2002 VS.傳統方案


MPS AC/DC的另一款成名之作HR1211,也充分地體現了MPS的產品優勢,這是一款集成多模式PFC和電流型LLC的二合一控制器。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。


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圖5:HR1211的典型應用電路


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。


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圖6:HR1211應用場景


MPS在AC/DC領域技術沉淀多年,目前已有多種優秀解決方案深受業界好評,未來會有更多新品不斷面市。


關于MPS


芯源系統股份有限公司(Monolithic Power Systems, Inc.,簡稱MPS),是全球領先的半導體公司,專注于高性能模擬集成電路和混合信號集成電路的設計、研發、制造和銷售,產品廣泛應用于汽車電子、云計算、存儲、通訊、工業、消費電子等領域。MPS創建于1997年,2004年在納斯達克(NASDAQ)成功上市,目前市值超150 億美元。經過20余年的全球市場拓展,目前MPS在亞太、北美、歐洲等地區設有16家分支機構,業務覆蓋全球30多個國家和地區,全球客戶超10000家,累計出貨1000億顆芯片。


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