提升效率是电源设计的一大永恒话题。并且不管输入电压和负载如何变化,电源都始终需要维持平稳的高效率。此外,随着PD电源/快充电源的出现,即使是输出电压要根据负载变化而改变,适配器也始终需要维持高效率。

另一方面,效率提升对散热设计具有积极意义。通过降低适配器的散热要求,工程师便可实现成本、尺寸和重量等各项指标优化。

电源效率即使是有非常小的改善,对整个电源设计也会有非常大的影响。原因为何?日前,PI公司在其“效率最高可达94%的离线反激式电源转换IC产品系列InnoSwitch 3”产品发布会,以及《电子技术设计》、《电子工程专辑》和《国际电子商情》共同举办的“电源管理与功率器件论坛”(Tech Shanghai Power 2017)上,通过具体数据给出了详细解释。

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散热为什么重要?

PI公司市场总监Shyam Dujari介绍道,在开关电源之前我们用的主要是线性电源。线性电源效率非常低,有很多能量浪费。“20多年前,由于线性电源能效非常低,有8MW电厂能耗在美国境内被白白损耗掉。使用开关电源便能够实现这些能量节省。”他表示。

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效率是一项非常重要的指标,能够帮助降低成本、尺寸、重量。即使效率有非常小的改善,整个电源也会有非常大的影响。

“举个简单的例子,即使效率有很小的变化,我们从散热来看,影响很大在哪里?”Shyam Dujari谈道,“假设有一个输入功率45W、输出19V的适配器,满载效率是87%,则产生的热量是5.85W。把适配器的表面积和体积均以1来参考,如果效率能够提升即使是3%,则产生的热量将减少到4.5W。适配器的表面积减少到原来的77%,就可以实现相同的散热。从散热角度考虑,体积则可以减少到原来的67%。”

InnoSwitch3性能提升一览

InnoSwitch3(效率最高可达94%)是InnoSwitch(92%效率,2014年发布)的下一代产品。InnoSwitch是一种平台性的离线式反激式电源产品。“反激式电源是用在中小功率场合最多的一种拓扑结构,而离线式则是表示用在AC/DC环节,从墙或插座取电的设备。”Shyam Dujari解释。

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InnoSwitch3在InnoSwitch第一代产品上又将效率增加了2%;散出的热量只有2.7W,散热表面积可以缩小到48%,体积可以缩小到30%。

“从散热角度看,体积可以降低到原来的65%,但是受限于变压器、电解电容、连接器等元器件的尺寸,体积减小实际达不到这么多。另外,从可靠性来说,电源当中有两个器件会影响到电源寿命,即电解电容和光耦器,这两个器件受温度影响较大。”PI公司技术培训工程师阎金光补充说。

安全隔离的FluxLink数字反馈技术(使得环路响应速度非常快),这项技术可以节省掉一个重要器件——光耦器。

InnoSwitch3采用了新型超薄InSOP封装,爬电距离/电气间隙超过11mm。中国对电源有一个在5000米海拔高度要求爬电距离大于9.45mm的严酷要求(其他国家都没有,只有中国有)。采用这个封装,可以非常轻易地满足这个要求。另外,在高度方面,它从原来的2.5mm缩减到1.5mm,在做超薄型适配器时非常适用。

FluxLink数字反馈省去了光耦

对于AC/DC转换,这个设计非常简单,没有多少元器件。

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一个重要特性是,即使用到了输入电压检测电路,空载功耗仍能实现小于15mW。“交流电整流滤波有一个大电解电容,这个电容上的电压即输入电压,通过电阻进行检测。但是电阻有功率消耗。它会影响一项主要指标,即空载损耗。InnoSwitch3中采用了一项特殊控制,使这个电阻对空载功耗的影响小于2mW(内部有一个高压小开关,需要检测时就接通,不需要时就断开)。”阎工透露道。这个输入电压检测对于中国东部来说,由于电压比较稳定,不会有过压情况出现。但是对中国西部、印度、俄罗斯来说,电网不稳定,输入过压、欠压保护就很有必要。

FluxLink不需要采用光耦来进行反馈。其内部采用了类似于脉冲变压器的磁感耦合机制,其PIN脚金属部分做成两个线圈进行耦合。

阎工表示,在传统电源当中,光耦的使用会影响电源可靠性。光耦有一项重要指标叫电流传输比(CTR)。随着电源使用寿命增加,CTR这个指标会逐渐下降。FluxLink则不会出现这个情况,即使电源寿命增长,其耦合距离、耦合强度都不会改变。另外,其传输速率比光耦要快得多得多——一般光耦合器只能到2~3kHz带宽,而磁感耦合则可以达到MHz级别。由于带宽增加,动态响应得到很大改善。

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InnoSwitch3相比InnoSwitch,效率提升2%后,表面积可以降低25%,电源可以实现更多的功率送到负载。“即使效率只是改善了一点点,但散发的热量却可以降很多。从散热的角度看,体积可以减小35%。因此,电源的表面积和体积都可以大幅度减小。”Shyam Dujari表示。

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另一方面,工程师利用效率的裕量,可以考虑把成本降低。“当有很高效率裕量的时候,工程师可以考虑用更细的线、更便宜的器件来设计,甚至不用105℃电容。只要热量下来以后,工程师可以有很多cost-down的方法,并不是每个客户都要做非常小的超薄设计。”阎工表示。若是做标准尺寸设计,则可以降低其他元器件的成本,从而降低总体成本。另外,受限于变压器的体积和大电解电容的体积,尺寸也很难缩小。这时在体积受限的情况下也可以采用更便宜的器件来实现成本下降,即将效率的裕量转化为成本的优势。

无论输出电压怎么变化,都能维持高效率

另外,EU CoC标准在负载为10%的时候还有效率要求。市场上有很多电源产品,在负载变轻的时候,效率是急剧下降的。对于欧盟这个轻载高效的要求,InnoSwitch3可以达到12%的效率裕量。

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另一个令人激动人心的是,无论输出电压怎么变化——USB PD输出电压可能在5V、9V、12V之间变化,它都能维持非常高的效率。另外,这样的高效率对成本降低的幅度非常大。总的来说,94%的效率意味着客户能够实现成本更加低廉的、更加可靠的产品。

输入电压检测与保护没有任何额外的功率损耗。DoE v6要求空载功耗<75mW,很多生产厂家都已做到并联合提议要求其<30mW,而InnoSwitch3做到了<15mW。

在中国市场,华为、OPPO等很多厂商都有改变输出电压的快充设计,在次级侧会有一个接口的协议IC,这个IC会损耗额外的输出功率。如果为空载功耗<30mW留有足够裕量(留给接口协议IC),则设计30mW适配器就更加容易。

InSOP封装可轻松满足CQC 5000米海拔电气间隙要求

另外,电源PCB板高低压之间有爬电间距要求(高低压之间的变压器起到隔离作用)。我国CQC要求在5000米海拔有9.5mm电气间隙,而InnoSwitch3采用的InSOP封装实现了11mm间距。这样,电源IC就可以和变压器一样跨在初级和次级之间,从而利用这个以前无法利用的区域,进一步减小尺寸。

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根据不同应用需要,InnoSwitch3划分为3个不同子系列,如图所示。

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InnoSwitch3与InnoSwitch比较汇总:

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最后,Shyam Dujari表示,PI对客户提供完善的设计工具支持,无论是在线的还是离线的设计软件,比如PI在网上有在线式设计工具PI Expert。

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