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新型拓扑成就AC/DC电源方案：MPS秀“成名之作”

时间：2021-09-08 00:43:50

关键字： MPS ACDC

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[导读]“未来MPS将继续在AC/DC这个赛道做到业界领先的地位”，MPS AC/DC产品总监Peter Huang在日前“秀出”其在AC/DC方向的理解和产品。

AC/DC和DC/DC虽然长得好似一对“双胞胎”，但两者都有各自的独特特性。根据从事多年电源研发的一线工程师叙述，AD/DC和DC/DC存在很大差别，从产品设计、器件选择、EMI、热设计、可靠性目标上来说，AC/DC很复杂很难把握。

实际上，AC/DC又遍布人们的生活，诸如手机充电头、LED街灯。“未来MPS将继续在AC/DC这个赛道做到业界领先的地位”，MPS AC/DC产品总监Peter Huang在日前“秀出”其在AC/DC方向的理解和产品。

AC/DC独特特性产生的限制

AC/DC独特特性在于前向会接入高压系统，即直接接触电网。普遍来说电网的电压都在85V~264V，这样的一个交流低频输入导致会有触电危险，因此在做AC/DC产品时，特别是与生活息息相关的充电头要做到不能触电。而在AC/DC转换后到DC/DC中电压已降低到48V/12V/9V/5V，因此二者设计上的区别是非常大的。

AC/DC最为重要的是安规，根据Peter的解释，因为AC/DC是高压电源，所以PCB板设计时就会考虑安全距离，比如600V下小于规定毫米数就会放点，因此AC/DC的最小Layou板距离都有限制。而在绝缘标准的考核上，AC/DC也非常的严苛。“因此在安全距离和绝缘标准的双重限制之下，AC/DC的功率密度就会有所限制”，Peter坦言。

AC/DC还会要满足许多标准，Peter表示，因为AC/DC会接入电网，因此必须要满足EMC标准，即EN61000-x-x（ESD、EFT、Surge、THD）中的规定；电源设计本身还会产生噪声，为确保不被噪声干扰，需要满足EMI电磁干扰的FCC和VDE标准；另外，在能效方面EnergyStar、Coc、DOE、Erp几大机构会对平均效率、轻负载效率要求和待机功耗有所要求。

从结构来讲，AC/DC分为单级AC/DC和两级AC/DC。单级AC/DC方面，普遍来说均在75W以下，前面不需要PFC，Buck结构功率在10W以下。所有家电都会存在Buck结构，架构发展经历了RCC、Flyback、QR-Flyback（准谐振）。两级AC/DC则均在75W以上，外部电源普遍均采用这种两级结构，典型结构为BoostPFC+LLC。

“AC/DC能够用到的领域和DC/DC是一样的，因为在使用DC/DC前面必须要配置一个AC/DC”，Peter介绍表示，AC/DC可以广泛应用在家电、工业设备、快充和PD3.1、游戏机、PC电源、智能电视、LED街灯、PV逆变器、服务器电源、OBC/车载充电器上。

AC/DC市场发展迅猛，小功率AC/DC市场方面，从2005年到2020年功率从3.5W提升至65W，功率密度0.1W/cc提升到0.97W/cc，待机功耗从0.3W降低到0.075W，材料从硅变为氮化镓。

中大功率AC/DC市场方面，以ATX电源12V/350W为例，以230VEUInternal 80PLUS认证标准下的白牌、铜牌、银牌、金牌、铂金、钛金均取得了更高的效率，更低的待机功耗（ErPLot6），并且市场大部分厂商都努力以钛金标准进行产品的制造。

新型拓扑是解决行业挑战的关键

纵观整个开关电源，正在向小型化、高效率、低待机功耗进发。具体来说，实现小型化之路的关键就是将功率密度做高，根据Peter的介绍，一些适配器的功率密度基本上已经超过1.2W/cc，350W通信模块已经能超过10W/cc；效率方面，65W开关电源已经能够做到满载92%以上，300W开关电源由于是不同架构（PFC+LLC）能够做到满载95%以上，ATX电源则努力朝向钛金标准50%载96%以上效率；待机功耗方面，CoC曾在2015年规定要从300mW降低到75mW，ErP则规定在0.5W的轻载效率要达到50%以上；除此之外，第三代半导体的应用也从材料的角度促进了高效率和小型化，因其开关损耗极小，能够将频率提升数十倍甚至百倍。

小型化是开关电源的趋势，但在此同时也会迎来挑战。将产品做得越来越小，除了要将功率密度做得越来越高，也会采取一些堆叠设计、IC集成设计，将整体尺寸进一步压缩。但在器件大小之下，效率、频率、热之间的平衡成为了一大课题。

“提高效率是小型化的必要途径，它不但可以减少损耗，同时还能减少散热，给高频小型化提供了必要的条件。只有效率提升了，单位体积散热减少，同时通过高频化设计，功率密度才会大大的提升”，Peter为记者解释为了应对这种挑战，业界会采用更好的热设计和高级拓扑来减少损耗，以此获得更高的效率；采用更小的无源器件，以此获得更高的开关频率。

“新型拓扑可以提高效率，作为IC公司，着力点肯定是新型拓扑”，Peter表示AC/DC的架构会影响到其工作效率，存在开关损耗并带来散热问题。而新型拓扑可以提高效率，MPS着力于新型拓扑，在提高效率的同时也可以提高频率。”

QR-Flyback已经是10年前诞生的结构，QR-Flyback目的是提高频率，减少开关损耗，但用到的是硅器件。另外这个结构仍然存在开通损耗和关断损耗问题。因此市场诞生了ACF+ZVS拓扑架构，能够满足零开断损耗和漏感回收。ACF（源钳位反激)能做到漏感回收，有效解决了Flyback架构每次开通时带来的漏感问题。漏感回收可以帮助提升效率和频率。

电源设计小尺寸是趋势所向，通过提升效率来做到小型化。而小型化也将面临散热的挑战，优化散热可以减少散热的结构。同样还能通过高级拓扑来减少开关损耗做到提升效率，进而达到小型化。MPS正是采用先进的新型拓扑结构设计产品，向高功率小型化稳步发展。

MPS则可利用多种新型拓扑提高效率，比如使用 PFC + LLC 以及 ACF+ZVS 的混合拓方式以实现零打开损耗，同时回收漏感，可以达到 93%以上的高效率。

MPS拥有强大的AC/DC产品阵容

据介绍，MPS可以提供0-1000W全系列的AC-DC电源解决方案，从1W输出的智能LDO和Buck非隔离方案，到10W输出的非隔离降压方案，MPS均有集成功率管的解决方案。

在产品方面，MPS的AC/DC分成2类，一类是非隔离的，一类是隔离的。笔者了解到，MPS一直以来的强调产品的整体性和可组合性，AC/DC上也不例外，通过介绍不难看出，MPS的方案既有分开的也有合并的，通过这种自由组合使得用户可以根据后端需求进行方案选择。

Peter强调，MPS在AC/DC产品发展方向遵循四个原则：新型拓扑可以提高效率；高级集成度可以简化设计；高频率以适应新一代功率器件；数字化产品可以实现更好的性能。

Peter为记者展示了两个AC/DC的优秀产品。第一个产品是MPX2002/3，MPS称之为MPX2002/3。该方案拥有更高的效率、更好的保护特性、更小的封装、更优的可靠性和更快的上市时间。

据介绍，MPX2002在重载下可在CCM下运行，然后在负载降低时切换至准谐振（QR）操作。如果负载进一步降低，MPX2002将在跳频（PFM）模式下工作。当其进入突发模式时，开关频率固定为20kHz，从而降低音频噪声。通过此特性，MPX2002可在所有负载条件下实现高效率，同时具有出色的电磁干扰（EMI）性能。

传统方案需要反激控制器、光耦、电压基准和同步整流控制器四颗IC，而使用MPX2002单IC方案，集成了初级控制器和同步整流控制器。简化了设计，提高了效率，减小了占板面积，降低待机功耗，增强可靠性，无需光耦反馈，防止光耦在高可靠性环境出现老化。特别在CCM运行模式下能够实现更高精度的同步整流控制。MPX2003把频率进一步提升到130kHz以上来满足小型化需求。

第一个产品是高集成高性能的HR1211芯片，该产品为数字化PFC+LLC组合控制器，也是MPS的AC/DC成名之作。芯片集成了高压电流源、安规认证的X电容放电电路、PFC和LLC的高压驱动电路，从而实现了非常简洁的外围电路。

据介绍，HR1211的数字控制内核结合可重复编辑的存储单元，赋予了整个方案强大的灵活性。PFC和LLC两级电路之间的配合；不同控制模式之间的切换；关键工作点的开关频率；保护功能的阈值、时间以及恢复方式；所有这些主要的功能都可以通过UART的通讯口进行自由配置，并能够在图化操作界面上完成，这使得基于HR1211的电源设计能够灵活的适应不同应用在不同设计中的性能要求。