小型化、高效率趨勢下，AC/DC電源走向何方？

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提升，尺寸也大大減少，不斷向小型化、輕量化的趨勢發(fā)展。?

MPS在DC/DC、AC/DC、智能電機等領域深耕多年，在AC/DC電源領域涵蓋了1~1kW的產(chǎn)品范圍。隨著環(huán)保新規(guī)范的出臺以及第三代半導體時代的到來，MPS在AC/DC 電源領域將繼續(xù)迎接新的市場挑戰(zhàn)。

開關電源面臨哪些挑戰(zhàn)？

MPS AC/DC產(chǎn)品總監(jiān)Peter Huang表示，開關電源的挑戰(zhàn)在不斷升級。首先體現(xiàn)在安規(guī)及標準方面，例如高壓電源的安全距離限制、絕緣標準等，以及EMC、EMI、平均效率、輕負載效率要求、待機功耗等方面，都有相應的嚴苛要求。

其次，在AC/DC的拓撲結構方面，也面臨升級需求。從單級Buck/Flyback結構，正在向多種新型拓撲方向發(fā)展，以提高效率。例如使用 PFC + LLC 以及 ACF+ZVS 的混合拓撲方式，實現(xiàn)零打開損耗，同時回收漏感，可以達到93%以上的高效率。?

此外，伴隨著小型化、低功耗等發(fā)展趨勢，小功率領域以典型的充電器演進為例，2005年左右不到3.5W，頻率很低、功率密度約為0.1W左右、待機功耗要求也并不高。 隨著智能手機的普及，待機功耗的要求更高，頻率、效率、功率密度都在不斷提升。

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中大功率領域也是如此，一直在追求更高的效率、更低的待機功耗。65W以上的應用，如LED燈、機箱電源、Notebook等，80 Plus的認證標準對此有不同的等級區(qū)分，近年來的趨勢是越來越多的品牌認證從低端走向高端，效率越來越高。

Peter Huang補充，隨著第三代半導體的應用，業(yè)界需要高頻化的芯片，來適應新一代的功率器件。這是因為傳統(tǒng)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(xiàn)，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。?

小尺寸成為趨勢所向

小型化是開關電源顯著的發(fā)展趨勢，如何實現(xiàn)更小的尺寸？Peter Huang表示，更高的效率、更高的開關頻率、堆疊或集成的方式，都在推動小尺寸的發(fā)展。

提高效率是必經(jīng)之路

具體而言，推動小尺寸最重要的就是提高效率，這是最根本的方向，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。?

新的開關拓撲，如新型反激拓撲 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。?

通過GaN+新型拓撲來提高效率

更高的開關頻率有助于減小尺寸

此外，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(chǎn)生的開關損耗限制了其開關速度，傳統(tǒng)700V 硅功率器件從30kHz發(fā)展到現(xiàn)在200kHz，幾乎已經(jīng)碰到 硅的物理瓶頸。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。?

機械設計改進帶來的空間優(yōu)化

通過機械設計的改進也有助于實現(xiàn)小型化。Peter Huang表示，這也是門檻較高的一點，需要一定的設計“功力”來充分利用空間。

傳統(tǒng)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。在MPS 最新一代解決方案，通過1顆IC囊括了原邊和同步控制器，占板面積小，成本效益高。?

數(shù)字電源設計趨勢將從大功率向小功率產(chǎn)品轉移

Peter Huang表示，傳統(tǒng)的模擬控制器很難跟上日新月異的變化，新一代數(shù)字電源芯片的優(yōu)勢日趨明顯。MPS 產(chǎn)品采用數(shù)字化內核，具有豐富的可配置項目，相比傳統(tǒng)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 均有集成功率管解決方案。

小功率隔離反激方案方面，MPS 有集成功率管和控制器方案。大功率的 LLC 方案方面，75W 輸出以上比較常用的PFC+LLC 架構，MPS 也有獨立的 PFC 控制器和 LLC 控制器提供。?

其中，MPS的全集成反激控制器系列產(chǎn)品 MPX2002/3，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(xiàn)快充電源的小型化提供了全新的思路。?

據(jù)介紹，傳統(tǒng)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(huán)境出現(xiàn)老化。特別在 CCM 運行模式下能夠實現(xiàn)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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MPX2002 VS. 傳統(tǒng)方案

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MPS 的AC/DC電源產(chǎn)品HR1211，也是一款典型的創(chuàng)新產(chǎn)品，集成了多模式 PFC 和電流型 LLC 的二合一控制器，集成了高壓電流源、安規(guī)認證的X電容放電電路、PFC 和 LLC 的高壓驅動電路。

?HR1211 典型應用電路

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通過將HR1211 的數(shù)字控制內核結合可重復編輯的存儲單元，整個方案實現(xiàn)了較大的靈活性，主要體現(xiàn)在：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。所有這些主要功能都可以通過UART 通訊口進行自由配置，并能夠在圖化操作界面上完成，使得基于HR1211的電源設計能夠靈活適應不同應用在不同設計中的性能要求。?

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Peter Huang表示，MPS 在 AC/DC 領域積淀多年，新型拓撲、高集成度、高頻率、數(shù)字化是當前的四大發(fā)展方向。其中，數(shù)字化是大趨勢，最初在大功率產(chǎn)品方面應用較多，今后會逐漸向小功率產(chǎn)品轉移，通過不斷優(yōu)化設計、提升性能、滿足所有的能效規(guī)范，進一步推動更多優(yōu)秀解決方案應用落地。