新型拓?fù)涑删虯C/DC電源方案：MPS秀“成名之作”

AC/DC和DC/DC雖然長(zhǎng)得好似一對(duì)“雙胞胎”，但兩者都有各自的獨(dú)特特性。根據(jù)從事多年電源研發(fā)的一線工程師敘述，AD/DC和DC/DC存在很大差別，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、器件選擇、EMI、熱設(shè)計(jì)、可靠性目標(biāo)上來(lái)說(shuō)，AC/DC很復(fù)雜很難把握。

實(shí)際上，AC/DC又遍布人們的生活，諸如手機(jī)充電頭、LED街燈?！拔磥?lái)MPS將繼續(xù)在AC/DC這個(gè)賽道做到業(yè)界領(lǐng)先的地位”，MPS AC/DC產(chǎn)品總監(jiān)Peter Huang在日前“秀出”其在AC/DC方向的理解和產(chǎn)品。

AC/DC獨(dú)特特性產(chǎn)生的限制

AC/DC獨(dú)特特性在于前向會(huì)接入高壓系統(tǒng)，即直接接觸電網(wǎng)。普遍來(lái)說(shuō)電網(wǎng)的電壓都在85V~264V，這樣的一個(gè)交流低頻輸入導(dǎo)致會(huì)有觸電危險(xiǎn)，因此在做AC/DC產(chǎn)品時(shí)，特別是與生活息息相關(guān)的充電頭要做到不能觸電。而在AC/DC轉(zhuǎn)換后到DC/DC中電壓已降低到48V/12V/9V/5V，因此二者設(shè)計(jì)上的區(qū)別是非常大的。

AC/DC最為重要的是安規(guī)，根據(jù)Peter的解釋?zhuān)驗(yàn)锳C/DC是高壓電源，所以PCB板設(shè)計(jì)時(shí)就會(huì)考慮安全距離，比如600V下小于規(guī)定毫米數(shù)就會(huì)放點(diǎn)，因此AC/DC的最小Layou板距離都有限制。而在絕緣標(biāo)準(zhǔn)的考核上，AC/DC也非常的嚴(yán)苛。“因此在安全距離和絕緣標(biāo)準(zhǔn)的雙重限制之下，AC/DC的功率密度就會(huì)有所限制”，Peter坦言。

AC/DC還會(huì)要滿足許多標(biāo)準(zhǔn)，Peter表示，因?yàn)锳C/DC會(huì)接入電網(wǎng)，因此必須要滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)，即EN61000-x-x（ESD、EFT、Surge、THD）中的規(guī)定；電源設(shè)計(jì)本身還會(huì)產(chǎn)生噪聲，為確保不被噪聲干擾，需要滿足EMI電磁干擾的FCC和VDE標(biāo)準(zhǔn)；另外，在能效方面EnergyStar、Coc、DOE、Erp幾大機(jī)構(gòu)會(huì)對(duì)平均效率、輕負(fù)載效率要求和待機(jī)功耗有所要求。

從結(jié)構(gòu)來(lái)講，AC/DC分為單級(jí)AC/DC和兩級(jí)AC/DC。單級(jí)AC/DC方面，普遍來(lái)說(shuō)均在75W以下，前面不需要PFC，Buck結(jié)構(gòu)功率在10W以下。所有家電都會(huì)存在Buck結(jié)構(gòu)，架構(gòu)發(fā)展經(jīng)歷了RCC、Flyback、QR-Flyback（準(zhǔn)諧振）。兩級(jí)AC/DC則均在75W以上，外部電源普遍均采用這種兩級(jí)結(jié)構(gòu)，典型結(jié)構(gòu)為BoostPFC+LLC。

“AC/DC能夠用到的領(lǐng)域和DC/DC是一樣的，因?yàn)樵谑褂肈C/DC前面必須要配置一個(gè)AC/DC”，Peter介紹表示，AC/DC可以廣泛應(yīng)用在家電、工業(yè)設(shè)備、快充和PD3.1、游戲機(jī)、PC電源、智能電視、LED街燈、PV逆變器、服務(wù)器電源、OBC/車(chē)載充電器上。

AC/DC市場(chǎng)發(fā)展迅猛，小功率AC/DC市場(chǎng)方面，從2005年到2020年功率從3.5W提升至65W，功率密度0.1W/cc提升到0.97W/cc，待機(jī)功耗從0.3W降低到0.075W，材料從硅變?yōu)榈墶?

中大功率AC/DC市場(chǎng)方面，以ATX電源12V/350W為例，以230VEUInternal 80PLUS認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)下的白牌、銅牌、銀牌、金牌、鉑金、鈦金均取得了更高的效率，更低的待機(jī)功耗（ErPLot6），并且市場(chǎng)大部分廠商都努力以鈦金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品的制造。

新型拓?fù)涫墙鉀Q行業(yè)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵

縱觀整個(gè)開(kāi)關(guān)電源，正在向小型化、高效率、低待機(jī)功耗進(jìn)發(fā)。具體來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)小型化之路的關(guān)鍵就是將功率密度做高，根據(jù)Peter的介紹，一些適配器的功率密度基本上已經(jīng)超過(guò)1.2W/cc，350W通信模塊已經(jīng)能超過(guò)10W/cc；效率方面，65W開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)能夠做到滿載92%以上，300W開(kāi)關(guān)電源由于是不同架構(gòu)（PFC+LLC）能夠做到滿載95%以上，ATX電源則努力朝向鈦金標(biāo)準(zhǔn)50%載96%以上效率；待機(jī)功耗方面，CoC曾在2015年規(guī)定要從300mW降低到75mW，ErP則規(guī)定在0.5W的輕載效率要達(dá)到50%以上；除此之外，第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用也從材料的角度促進(jìn)了高效率和小型化，因其開(kāi)關(guān)損耗極小，能夠?qū)㈩l率提升數(shù)十倍甚至百倍。

小型化是開(kāi)關(guān)電源的趨勢(shì)，但在此同時(shí)也會(huì)迎來(lái)挑戰(zhàn)。將產(chǎn)品做得越來(lái)越小，除了要將功率密度做得越來(lái)越高，也會(huì)采取一些堆疊設(shè)計(jì)、IC集成設(shè)計(jì)，將整體尺寸進(jìn)一步壓縮。但在器件大小之下，效率、頻率、熱之間的平衡成為了一大課題。

“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(shè)計(jì)，功率密度才會(huì)大大的提升”，Peter為記者解釋為了應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)，業(yè)界會(huì)采用更好的熱設(shè)計(jì)和高級(jí)拓?fù)鋪?lái)減少損耗，以此獲得更高的效率；采用更小的無(wú)源器件，以此獲得更高的開(kāi)關(guān)頻率。

“新型拓?fù)淇梢蕴岣咝?，作為IC公司，著力點(diǎn)肯定是新型拓?fù)洹?，Peter表示AC/DC的架構(gòu)會(huì)影響到其工作效率，存在開(kāi)關(guān)損耗并帶來(lái)散熱問(wèn)題。而新型拓?fù)淇梢蕴岣咝?，MPS著力于新型拓?fù)洌谔岣咝实耐瑫r(shí)也可以提高頻率?！?

QR-Flyback已經(jīng)是10年前誕生的結(jié)構(gòu)，QR-Flyback目的是提高頻率，減少開(kāi)關(guān)損耗，但用到的是硅器件。另外這個(gè)結(jié)構(gòu)仍然存在開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗問(wèn)題。因此市場(chǎng)誕生了ACF+ZVS拓?fù)浼軜?gòu)，能夠滿足零開(kāi)斷損耗和漏感回收。ACF（源鉗位反激)能做到漏感回收，有效解決了Flyback架構(gòu)每次開(kāi)通時(shí)帶來(lái)的漏感問(wèn)題。漏感回收可以幫助提升效率和頻率。

電源設(shè)計(jì)小尺寸是趨勢(shì)所向，通過(guò)提升效率來(lái)做到小型化。而小型化也將面臨散熱的挑戰(zhàn)，優(yōu)化散熱可以減少散熱的結(jié)構(gòu)。同樣還能通過(guò)高級(jí)拓?fù)鋪?lái)減少開(kāi)關(guān)損耗做到提升效率，進(jìn)而達(dá)到小型化。MPS正是采用先進(jìn)的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，向高功率小型化穩(wěn)步發(fā)展。

MPS則可利用多種新型拓?fù)涮岣咝?，比如使?PFC + LLC 以及 ACF+ZVS 的混合拓方式以實(shí)現(xiàn)零打開(kāi)損耗，同時(shí)回收漏感，可以達(dá)到 93%以上的高效率。

MPS擁有強(qiáng)大的AC/DC產(chǎn)品陣容

據(jù)介紹，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。

在產(chǎn)品方面，MPS的AC/DC分成2類(lèi)，一類(lèi)是非隔離的，一類(lèi)是隔離的。筆者了解到，MPS一直以來(lái)的強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的整體性和可組合性，AC/DC上也不例外，通過(guò)介紹不難看出，MPS的方案既有分開(kāi)的也有合并的，通過(guò)這種自由組合使得用戶可以根據(jù)后端需求進(jìn)行方案選擇。

Peter強(qiáng)調(diào)，MPS在AC/DC產(chǎn)品發(fā)展方向遵循四個(gè)原則：新型拓?fù)淇梢蕴岣咝?；高?jí)集成度可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)；高頻率以適應(yīng)新一代功率器件；數(shù)字化產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)更好的性能。

Peter為記者展示了兩個(gè)AC/DC的優(yōu)秀產(chǎn)品。第一個(gè)產(chǎn)品是MPX2002/3，MPS稱(chēng)之為MPX2002/3。該方案擁有更高的效率、更好的保護(hù)特性、更小的封裝、更優(yōu)的可靠性和更快的上市時(shí)間。

據(jù)介紹，MPX2002在重載下可在CCM下運(yùn)行，然后在負(fù)載降低時(shí)切換至準(zhǔn)諧振（QR）操作。如果負(fù)載進(jìn)一步降低，MPX2002將在跳頻（PFM）模式下工作。當(dāng)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(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)高效率，同時(shí)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(zhǔn)和同步整流控制器四顆IC，而使用MPX2002單IC方案，集成了初級(jí)控制器和同步整流控制器。簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，提高了效率，減小了占板面積，降低待機(jī)功耗，增強(qiáng)可靠性，無(wú)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(yùn)行模式下能夠?qū)崿F(xiàn)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)滿足小型化需求。

第一個(gè)產(chǎn)品是高集成高性能的HR1211芯片，該產(chǎn)品為數(shù)字化PFC+LLC組合控制器，也是MPS的AC/DC成名之作。芯片集成了高壓電流源、安規(guī)認(rèn)證的X電容放電電路、PFC和LLC的高壓驅(qū)動(dòng)電路，從而實(shí)現(xiàn)了非常簡(jiǎn)潔的外圍電路。

據(jù)介紹，HR1211的數(shù)字控制內(nèi)核結(jié)合可重復(fù)編輯的存儲(chǔ)單元，賦予了整個(gè)方案強(qiáng)大的靈活性。PFC和LLC兩級(jí)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(hù)功能的閾值、時(shí)間以及恢復(fù)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(shè)計(jì)能夠靈活的適應(yīng)不同應(yīng)用在不同設(shè)計(jì)中的性能要求。

在面對(duì)發(fā)展愈來(lái)愈快，競(jìng)爭(zhēng)愈來(lái)愈大的快充市場(chǎng)，Peter表示，在整個(gè)市場(chǎng)越做越小，效率越做越高的時(shí)代下，MPS會(huì)追求更好更優(yōu)的方案，不會(huì)再回到原來(lái)的Flyback上面去了，將會(huì)繼續(xù)走氮化鎵和全新拓?fù)渲?，未?lái)也會(huì)繼續(xù)解決高頻化、減少開(kāi)關(guān)損耗、回收能量以提高效率。

最后，Peter還預(yù)告了MPS在AC/DC上的未來(lái)，更多新產(chǎn)品將會(huì)不斷面世。未來(lái)，MPS在AC/DC上的整個(gè)產(chǎn)品線和組合性也將會(huì)越來(lái)越寬廣和自由。