【導讀】開關(guān)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(guān)電源在各個應(yīng)用上的不斷發(fā)展和消費者對便攜性的要求，開關(guān)電源繼續(xù)朝著小型化， 輕量化的趨勢發(fā)展。
近年來，碳達峰、碳中和“3060”目標開啟了低碳新時代，隨著節(jié)能減排的要求越來越嚴，人們對環(huán)保節(jié)能低耗綠色提出了更高要求， 對開關(guān)電源的能效標準也越來越嚴。比如，歐盟執(zhí)委會最新的 CoC V5 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(jié)能減排的目的。
開關(guān)電源的挑戰(zhàn)不斷升級
提高開關(guān)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(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)生的開關(guān)損耗限制了其開關(guān)速度，傳統(tǒng)700V硅功率器件從開始的30kHz發(fā)展到現(xiàn)在200kHz，已經(jīng)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(guān)頻率限制，隔離變壓器的高頻化設(shè)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(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(shè)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(guān)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(guān)斷，開關(guān)損耗可以降到忽略不計。提升了效率，同時讓電源的設(shè)計頻率不會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 公司在 ACDC 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，客戶遍布全球。隨著“更綠色/環(huán)?！钡男乱?guī)范的出臺以及第三代半導體時代的到來，MPS 公司的 AC/DC 電源產(chǎn)品不斷精進技術(shù)和性能，迎合市場的發(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 的混合拓方式以實現(xiàn)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(shè)計，以簡化設(shè)計，減少成本：傳統(tǒng)的非隔離式 AC/DC 解決方案通常需要使用多顆芯片，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 公司最新一代解決方案尺寸緊湊，集成度高，1顆芯片即可囊括原邊和同步控制器，設(shè)計簡潔，占板面積小，成本效益高。
● 高頻化的芯片以適應(yīng)新一代功率器件：傳統(tǒng)硅器件的開關(guān)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(guān)頻率及效率都得到大大提高，高頻設(shè)計更加符合新型功率器件的要求。
● 數(shù)字化產(chǎn)品可以實現(xiàn)更好的性能：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 的產(chǎn)品采用數(shù)字化內(nèi)核，具有非常豐富的可配置項目，相比傳統(tǒng)控制器，具有更多的靈活性。
MPS 公司提供0-1000W全系列 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 公司均有集成功率管的解決方案。對于小功率隔離反激方案，MPS 公司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(gòu)，MPS 公司有獨立的 PFC 控制器和 LLC 控制器提供。
圖2：MPS ACDC 電源解決方案
其中，全集成反激控制器系列產(chǎn)品 MPX2002，創(chuàng)新性地將初次級控制器合封在一顆芯片內(nèi)，大大簡化了外圍電路設(shè)計，為實現(xiàn)快充電源的小型化提供了全新的思路。
圖3：MPX2002 典型應(yīng)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(fā)模式時，開關(guān)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(xiàn)高效率，同時具有出色的電磁干擾（EMI）性能。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芯片，而使用 MPX2002 單芯片方案，集成了初級控制器和同步整流控制器。簡化了設(shè)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?qū)崿F(xiàn)更高精度的同步整流控制。
圖4：MPS 公司的 MPX2002 vs. 傳統(tǒng)方案
MPS 公司 AC/DC 產(chǎn)品線的另一款成名之作 HR1211，也充分地體現(xiàn)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(guī)認證的X電容放電電路、PFC 和 LLC 的高壓驅(qū)動電路，從而實現(xiàn)了非常簡潔的外圍電路。
圖5：HR1211 的典型應(yīng)用電路
HR1211 的數(shù)字控制內(nèi)核結(jié)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(guān)鍵工作點的開關(guān)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(shè)計能夠靈活的適應(yīng)不同應(yīng)用在不同設(shè)計中的性能要求。
圖6：HR1211 應(yīng)用場景舉例
MPS 公司在 AC/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，未來會有更多高效先進的產(chǎn)品不斷面市。
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