揭秘“低碳时代”AC/DC电源的新趋势

尽管AC/DC开关电源在80年代替代线性电源之后，电源效率得到了极大的提升，尺寸也大大减少。但近年来，节能减排的要求越来越严，人们对环保节能低耗绿色提出了更高要求，对开关电源的能效标准也越来越严。尤其是随着以碳达峰、碳中和为目标的“低碳时代”的到来，开关电源继续朝着小型化，轻量化方向发展的趋势已不可阻挡。

AC/DC应用无处不在

以典型的小功率充电器市场为例，从2005年左右的3.5W/功率密度0.1W，演进到2020年65W/功率密度0.97W，待机功耗的要求更高，频率、效率、功率密度也都在不断提升。

65W以上的中大功率领域，如LED灯、机箱电源、Notebook等应用，也呈现着类似的趋势，始终追求更高的效率、更低的待机功耗。80 Plus的认证标准对此有不同的等级区分，近年来的趋势是越来越多的品牌认证从低端走向高端，效率越来越高。

“提高效率是小型化的必要途径。”MPS AC/DC产品总监黄万年指出，提高效率带来的是一连串的“链式反应”——高效率意味着它可以减少损耗和散热，给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。 

而想要提高效率，从单级Buck/Flyback结构向采用新型开关拓扑方向发展，正成为研究热点。譬如新型的反激拓扑ACF(Active-Clamp Flyback)就可以消除开通损耗，同时做到隔离变压器的漏感回收，采用PFC+LLC以及ACF+ZVS这样的混合拓扑方式，能够实现93%以上的高效率。而针对目前IT基础设施电源所关注的图腾柱拓扑结构，MPS也希望推出相应的全数字集成式产品，以取代如今分立控制器方案。

如果再加上第三代半导体功率器件的快速关断，开关损耗可以降到忽略不计。提升了效率，同时让电源的设计频率不会受到功率器件的限制，大大地加速了小型化。

第三代半导体GaN+新型拓扑提高开关电源效率

提高开关频率可以大大减少无源器件的尺寸，包括电感、电容及变压器。对于AC/DC离线开关电源，其输入端是50Hz/60Hz 230V的交流输入，高电压的高频切换产生的开关损耗限制了其开关速度，传统700V硅功率器件从开始的30kHz发展到现在200kHz，已经碰到Si的物理瓶颈。在AC/DC电源中，除了高压功率器件的开关频率限制，隔离变压器的高频化设计也要兼顾安全和效率，随着频率的增加，单位体积散热的增加也大大制约了频率的提升。 

MPS的解决之道

MPS在DC/DC、AC/DC、智能电机等领域深耕多年，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。对于小功率隔离反激方案，MPS能够提供集成功率管和控制器的方案；对75W输出以上的大功率LLC方案，比较常用的PFC+LLC架构，MPS有独立的PFC控制器和LLC控制器提供。 

MPS ACDC电源解决方案

未来，随着“更绿色/环保”的新规范的出台以及第三代半导体时代的到来，除了前文谈及的利用多种新型拓扑提高效率外，以下三方面也将成为MPS AC/DC电源产品未来的重点发展方向：

• 采用全集成设计，以简化设计，减少成本

传统的非隔离式AC/DC解决方案通常需要使用多颗IC，同时还需配备原边及副边控制器以及光隔离器等，占板面积大，BOM成本高；MPS最新一代解决方案尺寸紧凑，集成度高，1颗IC即可囊括原边和同步控制器，设计简洁，占板面积小，成本效益高。 但黄万年表示，通过机械设计的改进也有助于实现小型化，但门槛相对较高，没有一定的设计功力与经验，很难达成。

• 高频化的芯片以适应新一代功率器件

传统硅器件的开关频率低，效率也很难提高，随着GaN等新型半导体材料的出现，其开关频率及效率都得到大大提高，高频设计更加符合新型功率器件的要求。 

“电源设计是一个折中的工程学问题，频率、效率和散热问题并不是完全的线性关系。”黄万年说，过去，硅MOSFET工作频率最多只能达到100kHz左右，器件本身无法承受热，但现在有了宽禁带半导体，高频和热效应问题就得到了很好的解决。

• 数字化产品可以实现更好的性能

传统的模拟控制器很难跟上日新月异的变化，新一代数字电源芯片的优势日趋明显，MPS的产品采用数字化内核，具有非常丰富的可配置项目，相比传统控制器，具有更多的灵活性。

全集成反激控制器系列产品MPX2002/3和集成多模式PFC和电流型LLC的二合一控制器HR1211，是MPS AC/DC极具代表性的两款产品。前者创新性地将初次级控制器合封在一颗芯片内，大大简化了外围电路设计，为实现快充电源的小型化提供了全新的思路；后者集成了高压电流源、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。 

MPX2002典型应用电路Demo板

HR1211的典型应用电路

具体而言，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。

与需要反激控制器、光耦、电压基准和同步整流控制器四颗IC的传统方案相比，集成了初级控制器和同步整流控制器的MPX2002单芯片方案，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，该系列能够实现更高精度的同步整流控制。

MPX2002 VS. 传统方案

“分立器件需要考虑环路设计、同步整流调整等复杂设置，而现在全集成方案下，设计几个电阻就可以得到最佳效率方案，可以极大简化工程师的设计。”黄万年说。

数据显示，如果在手机快充适配器上使用MPX2002/3，其与PD控制器的总计功耗仅为30mW，远远低于目前业界普遍的75mW。

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。 

HR1211应用场景

总体而言，AC/DC由于其特性，集成度和效率的提升相对DC/DC缓慢，并且由于安规、EMI、散热等问题，给工程师设计优化带来了很大挑战。但黄万年表示，AC/DC是电源管理市场中必不可少的组成部分，直面高效率和绿色节能目标，将是所有从业者面临的共同任务。