低碳時(shí)代到來(lái)，引領(lǐng)小型化和高效率趨勢

開(kāi)關(guān)電源在80年代替代線(xiàn)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(zhù)開(kāi)關(guān)電源在各個(gè)應用上的不斷發(fā)展和消費者對便攜性的要求，開(kāi)關(guān)電源繼續朝著(zhù)小型化，輕量化的趨勢發(fā)展。近年來(lái)，碳達峰、碳中和“3060”目標開(kāi)啟了低碳新時(shí)代，隨著(zhù)節能減排的要求越來(lái)越嚴，人們對環(huán)保節能低耗綠色提出了更高要求，對開(kāi)關(guān)電源的能效標準也越來(lái)越嚴。比如，歐盟執委會(huì )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(lái)達到節能減排的目的。

開(kāi)關(guān)電源的挑戰不斷升級

提高開(kāi)關(guān)頻率可以大大減少無(wú)源器件的尺寸，包括電感、電容及變壓器。對于A(yíng)C/DC 離線(xiàn)開(kāi)關(guān)電源，其輸入端是50Hz/60Hz 230V的交流輸入，高電壓的高頻切換產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗限制了其開(kāi)關(guān)速度，傳統700V硅功率器件從開(kāi)始的30kHz發(fā)展到現在200kHz，已經(jīng)碰到Si的物理瓶頸。在A(yíng)C/DC 電源中，除了高壓功率器件的開(kāi)關(guān)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(zhù)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(jīng)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(shí)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(shí)通過(guò)高頻化設計，功率密度才會(huì )大大的提升。

想要提高效率，可以通過(guò)新的開(kāi)關(guān)拓撲，譬如新型的反激拓撲ACF（Active-Clamp Flyback）就可以消除開(kāi)通損耗，同時(shí)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(guān)斷，開(kāi)關(guān)損耗可以降到忽略不計。提升了效率，同時(shí)讓電源的設計頻率不會(huì )受到功率器件的限制，大大地加速了小型化。

圖1：GaN+新型拓撲提高效率

MPS 在A(yíng)CDC領(lǐng)域深耕多年，擁有業(yè)界領(lǐng)先的產(chǎn)品，涵蓋了市面上1~1000W的產(chǎn)品范圍，客戶(hù)遍布全球。隨著(zhù)“更綠色/環(huán)�！钡男乱幏兜某雠_以及第三代半導體時(shí)代的到來(lái)，MPS的AC/DC電源產(chǎn)品不斷精進(jìn)技術(shù)和性能，迎合市場(chǎng)的發(fā)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(shí)現零打開(kāi)損耗，同時(shí)回收漏感，可以達到93%以上的高效率。

● 采用全集成設計，以簡(jiǎn)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(shí)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(jiǎn)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(kāi)關(guān)頻率低，效率也很難提高，隨著(zhù)GaN等新型半導體材料的出現，其開(kāi)關(guān)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(chǎn)品可以實(shí)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(yōu)勢日趨明顯，MPS的產(chǎn)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。

圖2：MPSACDC電源解決方案

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

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(shí)切換至準諧振（QR）操作。如果負載進(jìn)一步降低，MPX2002 將在跳頻（PFM）模式下工作。當其進(jìn)入突發(fā)模式時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率固定為20kHz，從而降低音頻噪聲。通過(guò)此特性，MPX2002可在所有負載條件下實(shí)現高效率，同時(shí)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(jiǎn)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(wú)需光耦反饋，防止光耦在高可靠性環(huán)境出現老化。特別在CCM運行模式下能夠實(shí)現更高精度的同步整流控制。MPX2003 把頻率進(jìn)一步提升到130kHz 以上來(lái)滿(mǎn)足小型化需求。

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(chǎn)品優(yōu)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(dòng)電路，從而實(shí)現了非常簡(jiǎn)潔的外圍電路。

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(gè)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(guān)鍵工作點(diǎn)的開(kāi)關(guān)頻率；保護功能的閾值、時(shí)間以及恢復方式；所有這些主要的功能都可以通過(guò)UART的通訊口進(jìn)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。

圖6：HR1211應用場(chǎng)景

MPS在A(yíng)C/DC領(lǐng)域技術(shù)沉淀多年，目前已有多種優(yōu)秀解決方案深受業(yè)界好評，未來(lái)會(huì )有更多新品不斷面市。

關(guān)于MPS

芯源系統股份有限公司（Monolithic Power Systems, Inc.，簡(jiǎn)稱(chēng)MPS），是全球領(lǐng)先的半導體公司，專(zhuān)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(fā)、制造和銷(xiāo)售，產(chǎn)品廣泛應用于汽車(chē)電子、云計算、存儲、通訊、工業(yè)、消費電子等領(lǐng)域。MPS創(chuàng )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(jīng)過(guò)20余年的全球市場(chǎng)拓展，目前MPS在亞太、北美、歐洲等地區設有16家分支機構，業(yè)務(wù)覆蓋全球30多個(gè)國家和地區，全球客戶(hù)超10000家，累計出貨1000億顆芯片。