PI技術(shù)革新，挑戰(zhàn)DC-DC地位？

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導(dǎo)讀

看到這個(gè)標(biāo)題，您可能會(huì)嚇一跳，沒有了DC-DC，電源成何體統(tǒng)？難道從AC直接給用電設(shè)備的各個(gè)部分直接供電？請(qǐng)您往下看。

功率變換是將電能從一種形式變換為另一種形式的過程，例如AC變換為DC，或高壓電變換為低壓電等。在電力、交通、工業(yè)等許多領(lǐng)域中，功率變換都是必不可少的環(huán)節(jié)。

提高功率變換效率對(duì)于實(shí)現(xiàn)低碳未來具有至關(guān)重要的作用。研究表明，除了可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用場(chǎng)景，如果能夠?qū)⒐β首儞Q效率提高37%，就可以實(shí)現(xiàn)超過三分之一的碳減排目標(biāo)。這表明，在提高能源利用效率方面，功率變換是一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要采取多種措施，例如研發(fā)更高效的功率變換器、優(yōu)化功率變換過程、提高功率因數(shù)等。此外，還需要采用先進(jìn)的能源管理技術(shù)和智能化技術(shù)，以提高能源利用效率和管理水平。

近日，Power Integrations（PI）在之前推出的InnoMux技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步豐富了其產(chǎn)品線，新增了InnoMux-2 IC產(chǎn)品系列。在新品媒體溝通會(huì)上，PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan（閻金光）表示：

“采用新的IC拓?fù)涞腎nnoMux-2是具有多路獨(dú)立穩(wěn)壓輸出的全新開關(guān)IC產(chǎn)品系列。它采用氮化鎵IC將AC-DC和DC-DC變換級(jí)簡(jiǎn)化為一個(gè)單級(jí)功率變換器，可將系統(tǒng)功率損耗降低高達(dá)50%，徹底改變了傳統(tǒng)多路輸出功率變換的功率架構(gòu)，極大地改善多路輸出離線式電源變換的設(shè)計(jì)范式。” ?

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他特別提到，去掉了系統(tǒng)中的散熱器，既減少了材料用量，也減輕了系統(tǒng)重量。而生產(chǎn)1公斤鋁需要15kWh電量，相當(dāng)于排放約3.1公斤的CO2；要將1公斤貨物運(yùn)過太平洋需要22kWh電量，約排放4.5公斤的CO2，所以，提高效率的結(jié)果不僅僅是為了節(jié)能降本，對(duì)于控制氣候變化，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。

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輕松應(yīng)對(duì)多路輸出電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

現(xiàn)代生活中，用電設(shè)備無處不在，從手機(jī)到電視，從冰箱到電腦，都離不開電源。不過，多路輸出電源的設(shè)計(jì)存在著很多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和局限性，為達(dá)到各路輸出電壓的穩(wěn)定往往需要通過二次變換，使用第二級(jí)DC-DC，將單輸出反激變換器的輸出電壓變換成其它不同的電壓，為系統(tǒng)中不同的功能模塊電路進(jìn)行供電。

Jason Yan解釋說：

“大多數(shù)現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)都需要依靠多個(gè)內(nèi)部電壓軌運(yùn)行各種功能，如計(jì)算（CPU、MCU或DSP）、通信（有線或無線）和執(zhí)行功能（電機(jī)、燈具、加熱器、音箱喇叭）等，這些電源軌的電壓輸出包括小于5V到12V、24V甚至更高。在功率損耗方面，如果采用傳統(tǒng)的兩級(jí)變換方式，即前級(jí)反激電源加上后級(jí)的DC-DC，則系統(tǒng)每個(gè)變換級(jí)的損耗都會(huì)累加起來，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的效率性能并產(chǎn)生熱量。” ?

在多路輸出的設(shè)計(jì)當(dāng)中由于無法使輔助輸出的電壓穩(wěn)定，所以要加第二極升壓或降壓型變換，以改善輸出穩(wěn)定度，但這是以犧牲效率作為代價(jià)的。而且在空載時(shí)，由于電路的“峰值充電”效應(yīng)，輸出電壓會(huì)飄高，此時(shí)需要在輸出端并聯(lián)一個(gè)假負(fù)載電阻，以壓低空載時(shí)的輸出電壓，這勢(shì)必會(huì)帶來電源整體效率的下降及空載功耗的增加。

總之，傳統(tǒng)的多輸出電源設(shè)計(jì)時(shí)需要面臨不同的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)行各種權(quán)衡：效率、空載功耗和輸出精度，無法做到三者同時(shí)滿足。

InnoMux-2 IC是第二代產(chǎn)品，第一代產(chǎn)品主要用于電視機(jī)和顯示器，新的第二代產(chǎn)品有了很大改善，并不只限于上述應(yīng)用，而是覆蓋各種越來越復(fù)雜的電器設(shè)備的多軌供電需求。

該器件可以從容應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼘C-DC和后級(jí)DC-DC變換級(jí)整合到單個(gè)芯片中，成為單級(jí)拓?fù)浼軜?gòu)，提供多達(dá)三個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓輸出或兩個(gè)恒壓（CV）輸出和一個(gè)恒流（CC）輸出，具有15-100W的輸出功率能力。新IC拓?fù)錁O大地改善了多路輸出離線式電源變換的設(shè)計(jì)，可以用更少的元件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊且高效的電源子系統(tǒng)。

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這樣做的好處在于，利用單級(jí)變換、零電壓開關(guān)（無需有源鉗位）、750V PowiGaN氮化鎵開關(guān)管和同步整流技術(shù)，可以將傳統(tǒng)的多路輸出電源的效率提高10%；無需輸出電壓泄放電路（假負(fù)載），進(jìn)而可以將待機(jī)功耗改善20%；無需后級(jí)穩(wěn)壓電路，可以將元件數(shù)目縮減約50%；每個(gè)輸出均具有反饋且進(jìn)行單獨(dú)控制，使整個(gè)輸入電壓及負(fù)載范圍都可保持±1%的輸出精度。

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無泄放電阻有助于降低待機(jī)功耗

降低系統(tǒng)待機(jī)功耗對(duì)于節(jié)能減排、節(jié)約能源成本以及延長(zhǎng)設(shè)備壽命都具有重要意義。能源之星和歐盟CE標(biāo)識(shí)指令對(duì)設(shè)備功耗進(jìn)一步進(jìn)行了限制，對(duì)設(shè)備工作期間及待機(jī)狀態(tài)系統(tǒng)功耗的限值均更加嚴(yán)格。2023年4月，歐盟正式發(fā)布生態(tài)設(shè)計(jì)指令（EU）2023/826，將待機(jī)功耗從500mW降至300mW，相當(dāng)于每年節(jié)省等量7300萬加侖的汽油。

Jason Yan解釋說，許多應(yīng)用都涉及滿足待機(jī)限制的要求，而傳統(tǒng)降壓變換器和多路輸出電源在輕載和空載時(shí)由于“假負(fù)載”的使用會(huì)“燃燒”掉多余的能量，借以維持輸出電壓的穩(wěn)定，因此必須使用后級(jí)穩(wěn)壓器。這樣設(shè)計(jì)者不得不在接受較差的穩(wěn)壓精度與增加額外的輸出負(fù)載之間做出抉擇。

在傳統(tǒng)的多路輸出電源當(dāng)中，泄放電阻僅僅用來保證輸出穩(wěn)壓精度，其功耗無法用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的待機(jī)功能，屬于一種“無效”工作方式。而現(xiàn)代電子系統(tǒng)功能越來越多，需要的待機(jī)負(fù)載需求也日益增加。假定待機(jī)效率為60%的情況下，如果留有10mW的裕量，對(duì)于300mW的輸入待機(jī)限值來講，能夠提供給負(fù)載使用的功率為170mW。如果電源方案中去除了“無效”的假負(fù)載泄放電路功耗，則可以有更多的可用功率用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的待機(jī)功能，改善設(shè)備的用戶體驗(yàn)。

InnoMux-2 IC解決方案不使用泄放電路，在空載條件下仍可對(duì)輸出進(jìn)行精確的控制。在1組CV和1組CC輸出的InnoMux-2設(shè)計(jì)中，在輸入電壓、負(fù)載條件的變化以及交叉調(diào)整率的各種工況下，12V輸出電壓的變化可滿足±1%的穩(wěn)壓精度。?

InnoMux-2采用多種不同的CV+CC輸出配置組合，而每個(gè)輸出的監(jiān)測(cè)反饋使得初級(jí)側(cè)每個(gè)開關(guān)周期中的能量都能夠根據(jù)需要在各輸出之間進(jìn)行按需分配。其過程是次級(jí)側(cè)控制器經(jīng)FluxLink向初級(jí)側(cè)發(fā)送開關(guān)請(qǐng)求，由低輸出的VCV1或低VLED電壓的輸出進(jìn)行觸發(fā)；次級(jí)側(cè)母線中串聯(lián)的功率開關(guān)管可以將開關(guān)能量導(dǎo)引至所需的輸出端，而其它未發(fā)起開關(guān)請(qǐng)求的輸出則斷開與變壓器次級(jí)的連接；這樣即可保證失調(diào)輸出的電壓或電流的穩(wěn)定。恒壓輸出的電壓監(jiān)測(cè)是通過取樣電阻的方式連接至次級(jí)控制器，當(dāng)其電壓低時(shí)即觸發(fā)一個(gè)開關(guān)請(qǐng)求信號(hào)；而恒流輸出的電流監(jiān)測(cè)是通過電流檢測(cè)電阻檢測(cè)的，當(dāng)電流下降時(shí)會(huì)發(fā)出一個(gè)開關(guān)請(qǐng)求信號(hào)，以確保LED燈串中的電流恒定。

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多種架構(gòu)和多個(gè)級(jí)別支持不同類型應(yīng)用

InnoMux-2方案支持各種輸出組合，適用于各種需要多組供電電壓的應(yīng)用場(chǎng)景，包括：一路恒壓和一路恒流輸出的顯示器、電視機(jī)、智能家居和樓宇自動(dòng)化、LED應(yīng)急照明；兩路恒壓輸出的小家電、工業(yè)、儀表應(yīng)用；三路恒壓輸出的工業(yè)電源、電器、電信、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；一路恒壓及最多8路恒流輸出的高端顯示器和家用電器應(yīng)用。

Jason Yan以大尺寸顯示器應(yīng)用為例介紹說，提供的兩組輸出（1組CV和1組CC LED驅(qū)動(dòng)）InnoMux-2 IC結(jié)合IMX2065C或IMX2066C加IML204DG的芯片組，可以驅(qū)動(dòng)4串LED燈串；如果再串接另一個(gè)IML204DG則可支持多達(dá)8串LED燈串的應(yīng)用，可用于大尺寸顯示設(shè)備和具有照明功能的家用電器。

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他表示，InnoMux-2 IC支持多種電源架構(gòu)和多個(gè)功率級(jí)別，目前已投入生產(chǎn)，首個(gè)客戶已經(jīng)在量產(chǎn)。

利用PI Expert強(qiáng)大的在線設(shè)計(jì)工具以及PI為不同應(yīng)用設(shè)計(jì)同時(shí)推出的多款參考設(shè)計(jì)，用戶可以迅速開發(fā)出適合自己應(yīng)用的產(chǎn)品。這些參考設(shè)計(jì)包括：1組CV和1組CC輸出的52W電視機(jī)用電源設(shè)計(jì)DER-714；1組CV和4組CC輸出的23W顯示器電源設(shè)計(jì)DER-715；3組CV輸出的62W工業(yè)及電器類應(yīng)用電源DER-716；以及即將推出的2組CV輸出的35W工業(yè)及電器類應(yīng)用電源RDK-761。

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干掉DC-DC，徹底改變多輸出功率變換

歸納一下，相比傳統(tǒng)的兩級(jí)架構(gòu)，InnoMux-2 IC的特色在于高度集成、元件數(shù)目少，占用PCB空間小，而且高效、精確。其多模式反激控制器、準(zhǔn)諧振和零電壓開關(guān)（ZVS）、同步整流能力，可提供高達(dá)100W的輸出功率，獨(dú)有的低熱阻封裝可實(shí)現(xiàn)無散熱器的設(shè)計(jì)；并且在整個(gè)輸入電壓、負(fù)載范圍、溫度及負(fù)載電流跳變的條件下各組輸出滿足優(yōu)于±3%的調(diào)整精度。

用該器件實(shí)現(xiàn)的多路輸出電源方案的滿載效率（從交流到穩(wěn)壓的低壓直流輸出段）可超過90%，且在整個(gè)負(fù)載范圍保持高效；先進(jìn)的InnoMux-2控制器還能管理輕載下的功率輸出，無需使用假負(fù)載電阻，即可將系統(tǒng)待機(jī)功耗輕易滿足300mW的限值要求，為一些需要執(zhí)行必要功能的應(yīng)用場(chǎng)景提供了更多的可用待機(jī)功率。

InnoMux-2器件采用PI高效散熱的InSOP24和InSOP28封裝，通過PCB散熱，無需散熱片。器件選項(xiàng)包括雙路輸出和三路輸出恒壓（CV）型號(hào)，以及其中一路輸出可專用于提供恒流（CC）驅(qū)動(dòng)，適用于顯示器LED背光供電或內(nèi)置電池快速充電場(chǎng)景，如果有更多路恒流控制的需求，則可采用芯片組的組合配置。

總之，InnoMux-2解決了傳統(tǒng)的多輸出電源所面臨的挑戰(zhàn)，如設(shè)計(jì)時(shí)需要權(quán)衡效率、 空載功耗和輸出精度，的確可以干掉DC-DC，令多輸出電源的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊且高效的電源子系統(tǒng)。該器件堪稱低待機(jī)應(yīng)用的理想選擇，其多種CV和CC輸出組合、10-100W的輸出功率范圍，能夠支持廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用。

審核編輯：黃飛