2021年09月07日 | 从MPS产品解读AC/DC电源发展趋势

所有电子设备运行都离不开电源，其中供电主要有两种方式，分别为电池供电与交流供电，其中交流电是最为广泛的一种方式，功率范围从几瓦到数千瓦，应用五花八门，涵盖从家用电器到工业，而交流供电则包括了交流直接供电以及交流转直流（AC/DC）供电两种模式。

AC/DC转换器从最早的线性元件演变成基于MOSFET的开关电源之后，效率、尺寸和价格有了明显改善，但对于控制器IC的要求也在逐步提高，各种法规和要求需要改善电源的待机功率，并提高集成度。也正是因为需求不同，很少有半导体公司可以涵盖广泛的从消费到工业再到IT基础设施的广泛产品组合。MPS 在ACDC领域深耕多年，拥有业界领先的产品，涵盖了市面上1~1000W的产品范围，客户遍布全球。

MPS AC/DC产品布局，可以看到AC/DC应用无处不在。

日前，MPS AC/DC 产品总监黄万年结合MPS的产品特性，详细介绍了AC/DC产业发展趋势。

AC/DC特性

AC/DC和DC/DC最大的不同就在于交流高压侧，会对人体造成危害，因此安规标准也是AC/DC电源最重要的。这其中包括了高压电源的安全距离限制和绝缘限制，因此也使得AC/DC电源的功率密度提升变得困难。

其次，是AC端直接与电网相连接，所以要保证产品的EMC质量，包括防浪涌、防静电、抗脉冲干扰、谐波失真等多个因素。

第三，是确保EMI合规，由于AC/DC电源与负载或下级DC/DC转换相连，需要确保不会干扰到下游设备。

第四，则是能效标准要求，随着人们对环保意识增强，越来越多的组织提出了新的能效要求，包括欧盟、美国能源部、能源之星等组织都相继提出不同的能效认证指标，包括平均效率、轻负载效率、满负载效率、待机功耗等等，并且标准也在逐年提升。AC/DC作为电源转换的第一级，会直接影响整体效率。

AC/DC转换架构

黄万年介绍道，AC/DC相比于DC/DC来说，有以下几点不同。首先是AC/DC转换场景下，220V经过整流后电压往往都达到了400V以上，对于器件的耐压要求比较高。其次，AC/DC的高压器件特性，使其开关频率难以大幅度提升，通常只在200kHz以下。第三，由于交流电工作频率是50Hz左右，因此电容等分立元件尺寸很难做小。此外，变压器需要具有隔离要求，绝缘隔离尺寸难以进一步缩小。这一系列限制条件也给AC/DC转换设计带来了诸多困扰。

AC/DC转换大致可分为单级转换和两级转换两种结构，其中单级转换主要应用在小功率（<75W）场景中，和DC/DC类似，主要包括了BUCK转换及Flyback两种架构。

针对大功率（>75W）应用，主要采用PFC+LLC两级结构，其中PFC用来满足功率因数校正，提高电力的利用率并减少对电网的回流污染，而LLC则是为了提升电源转换效率和密度，降低开关损耗。黄万年表示，如今随着LED街景照明的普及，有些地方已经规定大于25W的LED灯都需要PFC电路。

从手机充电器与IT基础设施演进看AC/DC电源发展

黄万年分别以手机充电器和服务器电源为例，结合了小功率和大功率两方面市场，总结了AC/DC开关电源发展的四大趋势，分别为小型化、高效率、低待机功耗和第三代半导体。

以手机充电器为例，2005年，由于手机还是功能机时代，功能并不多，电池容量也不大，因此充电器还处在3.5W的水平，对于效率要求也不高，甚至还在使用三极管而不是MOSFET，而随着智能手机的普及，对于充电效率、尺寸、充电功率以及待机功耗等都有了明显提升。而最新的充电头已经开始采用宽禁带GaN材料，提升频率和转换效率。

而针对服务器电源来说，如资料显示，80PLUS十几年来标准的不断升级，已经足以证明对于效率的追求在不断提升中。

黄万年以具体数字，解读了目前针对AC/DC四大发展的要求。（如表所示）

每项技术的演进，都需要克服不小的技术挑战。以电源的小型化来说，只有提高效率，减少散热结构，才可以更好地实现小型化。业界正在通过更新的拓扑结构，更低的开关损耗来提高效率，通过更高的开关频率减小电容电感等分立元件，通过更好的EMI特性减少磁珠尺寸，以及通过3D堆叠式结构设计减少整体占用空间。

黄万年说道，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。“过去硅MOSFET工作频率最多就是100kHz左右，器件本身无法承受热，因此可以通过选择宽禁带半导体来解决高频和热效应问题。”

解读MPS产品组合

MPS的产品可以覆盖从100mW到1000W的AC/DC应用，广泛的解决方案组合中包括控制器、稳压器、同步整流器以及LDO等。这些先进的设备均采用紧凑型封装，实现高效率、高可靠性和更长的使用寿命，并且通过降低成本与BOM，帮助工程师简化设计过程并加快产品上市时间。

黄万年表示，MPS AC/DC的产品发展方向具备四大要素，与电源需求发展方向一致。

首先，是利用多种新型拓扑提高效率。随着不同拓扑结构的演进，MPS公司正在积极研发，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。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。

MPS拓扑控制发展方向介绍

其次，是采用全集成设计，以简化设计，减少成本。

第三，是开发高频率控制器，以支持宽禁带功率半导体。

第四，是通过数字电源控制芯片实现更好的性能与更方便的设计。

黄万年以MPS两款新品为例，解读了MPS AC/DC产品的四大发展策略。

全集成反激控制器MPX2002/3，将初级侧控制器、次级侧控制器、隔离、保护功能等全部集成至单芯片内。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 工作频率为130kHz 甚至300kHz，可以满足小型化需求。

根据黄万年给出的数据显示，MPX2002/3应用到手机快充适配器上，与PD控制器的总计仅为30mW，远远低于目前业界普遍的75mW。

“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。”黄万年总结道。

与分立方案相比，MPX2002/3的方案具有高集成，低功耗，高可靠性，设计便捷等多重优势

HR1211则是一款集成多模式PFC和电流型LLC的二合一控制器，主要应用在数百瓦的IT基础设施电源中。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。

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。

黄万年表示，超过75W的电源应用多种多样，比如笔记本、台式机、电动车充电、USB-PD充电等多种形态，每个产品需求不同，通过全数字化的控制器，可以快速应对多个电源平台设计，并且还可以通过加密实现IP保护。

总结——MPS将不断应对电源领域的挑战

黄万年总结道，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、散热等问题存在，给工程师设计优化带来了很大麻烦。尽管困难，但AC/DC市场是电源管理中必不可少的，作为深耕AC/DC领域十余载的MPS，正在通过四大发展方向，不断满足业界对于高效率的挑战，助力电源产业不断朝向绿色节能的目标发展。