PI技术革新，挑战DC-DC地位？

 

导读

看到这个标题，您可能会吓一跳，没有了DC-DC，电源成何体统？难道从AC直接给用电设备的各个部分直接供电？请您往下看。

功率变换是将电能从一种形式变换为另一种形式的过程，例如AC变换为DC，或高压电变换为低压电等。在电力、交通、工业等许多领域中，功率变换都是必不可少的环节。

提高功率变换效率对于实现低碳未来具有至关重要的作用。研究表明，除了可持续发展应用场景，如果能够将功率变换效率提高37%，就可以实现超过三分之一的碳减排目标。这表明，在提高能源利用效率方面，功率变换是一个非常重要的领域。

为了实现这一目标，需要采取多种措施，例如研发更高效的功率变换器、优化功率变换过程、提高功率因数等。此外，还需要采用先进的能源管理技术和智能化技术，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技术基础上，进一步丰富了其产品线，新增了InnoMux-2 IC产品系列。在新品媒体沟通会上，PI资深技术培训经理Jason Yan（阎金光）表示：

“采用新的IC拓扑的InnoMux-2是具有多路独立稳压输出的全新开关IC产品系列。它采用氮化镓IC将AC-DC和DC-DC变换级简化为一个单级功率变换器，可将系统功率损耗降低高达50%，彻底改变了传统多路输出功率变换的功率架构，极大地改善多路输出离线式电源变换的设计范式。”  

 

他特别提到，去掉了系统中的散热器，既减少了材料用量，也减轻了系统重量。而生产1公斤铝需要15kWh电量，相当于排放约3.1公斤的CO2；要将1公斤货物运过太平洋需要22kWh电量，约排放4.5公斤的CO2，所以，提高效率的结果不仅仅是为了节能降本，对于控制气候变化，促进可持续发展也具有重要意义。

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轻松应对多路输出电源设计挑战

现代生活中，用电设备无处不在，从手机到电视，从冰箱到电脑，都离不开电源。不过，多路输出电源的设计存在着很多设计挑战和局限性，为达到各路输出电压的稳定往往需要通过二次变换，使用第二级DC-DC，将单输出反激变换器的输出电压变换成其它不同的电压，为系统中不同的功能模块电路进行供电。

Jason Yan解释说：

“大多数现代嵌入式系统都需要依靠多个内部电压轨运行各种功能，如计算（CPU、MCU或DSP）、通信（有线或无线）和执行功能（电机、灯具、加热器、音箱喇叭）等，这些电源轨的电压输出包括小于5V到12V、24V甚至更高。在功率损耗方面，如果采用传统的两级变换方式，即前级反激电源加上后级的DC-DC，则系统每个变换级的损耗都会累加起来，从而降低整个系统的效率性能并产生热量。”  

在多路输出的设计当中由于无法使辅助输出的电压稳定，所以要加第二极升压或降压型变换，以改善输出稳定度，但这是以牺牲效率作为代价的。而且在空载时，由于电路的“峰值充电”效应，输出电压会飘高，此时需要在输出端并联一个假负载电阻，以压低空载时的输出电压，这势必会带来电源整体效率的下降及空载功耗的增加。

总之，传统的多输出电源设计时需要面临不同的挑战，需要进行各种权衡：效率、空载功耗和输出精度，无法做到三者同时满足。

InnoMux-2 IC是第二代产品，第一代产品主要用于电视机和显示器，新的第二代产品有了很大改善，并不只限于上述应用，而是覆盖各种越来越复杂的电器设备的多轨供电需求。

该器件可以从容应对上述挑战，因为它将AC-DC和后级DC-DC变换级整合到单个芯片中，成为单级拓扑架构，提供多达三个独立的稳压输出或两个恒压（CV）输出和一个恒流（CC）输出，具有15-100W的输出功率能力。新IC拓扑极大地改善了多路输出离线式电源变换的设计，可以用更少的元件实现结构紧凑且高效的电源子系统。

 

这样做的好处在于，利用单级变换、零电压开关（无需有源钳位）、750V PowiGaN氮化镓开关管和同步整流技术，可以将传统的多路输出电源的效率提高10%；无需输出电压泄放电路（假负载），进而可以将待机功耗改善20%；无需后级稳压电路，可以将元件数目缩减约50%；每个输出均具有反馈且进行单独控制，使整个输入电压及负载范围都可保持±1%的输出精度。

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无泄放电阻有助于降低待机功耗

降低系统待机功耗对于节能减排、节约能源成本以及延长设备寿命都具有重要意义。能源之星和欧盟CE标识指令对设备功耗进一步进行了限制，对设备工作期间及待机状态系统功耗的限值均更加严格。2023年4月，欧盟正式发布生态设计指令（EU）2023/826，将待机功耗从500mW降至300mW，相当于每年节省等量7300万加仑的汽油。

Jason Yan解释说，许多应用都涉及满足待机限制的要求，而传统降压变换器和多路输出电源在轻载和空载时由于“假负载”的使用会“燃烧”掉多余的能量，借以维持输出电压的稳定，因此必须使用后级稳压器。这样设计者不得不在接受较差的稳压精度与增加额外的输出负载之间做出抉择。

在传统的多路输出电源当中，泄放电阻仅仅用来保证输出稳压精度，其功耗无法用于实现设备的待机功能，属于一种“无效”工作方式。而现代电子系统功能越来越多，需要的待机负载需求也日益增加。假定待机效率为60%的情况下，如果留有10mW的裕量，对于300mW的输入待机限值来讲，能够提供给负载使用的功率为170mW。如果电源方案中去除了“无效”的假负载泄放电路功耗，则可以有更多的可用功率用于实现系统的待机功能，改善设备的用户体验。

InnoMux-2 IC解决方案不使用泄放电路，在空载条件下仍可对输出进行精确的控制。在1组CV和1组CC输出的InnoMux-2设计中，在输入电压、负载条件的变化以及交叉调整率的各种工况下，12V输出电压的变化可满足±1%的稳压精度。 

InnoMux-2采用多种不同的CV+CC输出配置组合，而每个输出的监测反馈使得初级侧每个开关周期中的能量都能够根据需要在各输出之间进行按需分配。其过程是次级侧控制器经FluxLink向初级侧发送开关请求，由低输出的VCV1或低VLED电压的输出进行触发；次级侧母线中串联的功率开关管可以将开关能量导引至所需的输出端，而其它未发起开关请求的输出则断开与变压器次级的连接；这样即可保证失调输出的电压或电流的稳定。恒压输出的电压监测是通过取样电阻的方式连接至次级控制器，当其电压低时即触发一个开关请求信号；而恒流输出的电流监测是通过电流检测电阻检测的，当电流下降时会发出一个开关请求信号，以确保LED灯串中的电流恒定。

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多种架构和多个级别支持不同类型应用

InnoMux-2方案支持各种输出组合，适用于各种需要多组供电电压的应用场景，包括：一路恒压和一路恒流输出的显示器、电视机、智能家居和楼宇自动化、LED应急照明；两路恒压输出的小家电、工业、仪表应用；三路恒压输出的工业电源、电器、电信、网络设备；一路恒压及最多8路恒流输出的高端显示器和家用电器应用。

Jason Yan以大尺寸显示器应用为例介绍说，提供的两组输出（1组CV和1组CC LED驱动）InnoMux-2 IC结合IMX2065C或IMX2066C加IML204DG的芯片组，可以驱动4串LED灯串；如果再串接另一个IML204DG则可支持多达8串LED灯串的应用，可用于大尺寸显示设备和具有照明功能的家用电器。

 

他表示，InnoMux-2 IC支持多种电源架构和多个功率级别，目前已投入生产，首个客户已经在量产。

利用PI Expert强大的在线设计工具以及PI为不同应用设计同时推出的多款参考设计，用户可以迅速开发出适合自己应用的产品。这些参考设计包括：1组CV和1组CC输出的52W电视机用电源设计DER-714；1组CV和4组CC输出的23W显示器电源设计DER-715；3组CV输出的62W工业及电器类应用电源DER-716；以及即将推出的2组CV输出的35W工业及电器类应用电源RDK-761。

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干掉DC-DC，彻底改变多输出功率变换

归纳一下，相比传统的两级架构，InnoMux-2 IC的特色在于高度集成、元件数目少，占用PCB空间小，而且高效、精确。其多模式反激控制器、准谐振和零电压开关（ZVS）、同步整流能力，可提供高达100W的输出功率，独有的低热阻封装可实现无散热器的设计；并且在整个输入电压、负载范围、温度及负载电流跳变的条件下各组输出满足优于±3%的调整精度。

用该器件实现的多路输出电源方案的满载效率（从交流到稳压的低压直流输出段）可超过90%，且在整个负载范围保持高效；先进的InnoMux-2控制器还能管理轻载下的功率输出，无需使用假负载电阻，即可将系统待机功耗轻易满足300mW的限值要求，为一些需要执行必要功能的应用场景提供了更多的可用待机功率。

InnoMux-2器件采用PI高效散热的InSOP24和InSOP28封装，通过PCB散热，无需散热片。器件选项包括双路输出和三路输出恒压（CV）型号，以及其中一路输出可专用于提供恒流（CC）驱动，适用于显示器LED背光供电或内置电池快速充电场景，如果有更多路恒流控制的需求，则可采用芯片组的组合配置。

总之，InnoMux-2解决了传统的多输出电源所面临的挑战，如设计时需要权衡效率、 空载功耗和输出精度，的确可以干掉DC-DC，令多输出电源的设计更加简单，同时实现结构紧凑且高效的电源子系统。该器件堪称低待机应用的理想选择，其多种CV和CC输出组合、10-100W的输出功率范围，能够支持广泛的市场应用。

审核编辑：黄飞