DC-DC變換器正在從即將消亡到開(kāi)始被替代

這并不是一個(gè)危言聳聽(tīng)的題目，而是Power Integrations（PI）正在做的一項(xiàng)創(chuàng)新，PI在InnoMux產(chǎn)品發(fā)表時(shí)，同時(shí)推出了一篇名為《DC-DC變換器即將走向消亡？》的白皮書(shū)，而隨著日前InnoMux-2的推出，DC-DC變換器也許真的要被替代了。

PI日前宣布推出InnoMux-2系列單級(jí)獨(dú)立穩(wěn)壓的多路輸出離線式電源IC。InnoMux-2 IC將AC-DC和后級(jí)DC-DC變換級(jí)整合到單個(gè)芯片中，提供多達(dá)三個(gè)獨(dú)立穩(wěn)壓輸出，適合于白色家電、工業(yè)系統(tǒng)、顯示器以及其他需要多組供電電壓的應(yīng)用場(chǎng)景。相較于傳統(tǒng)的兩級(jí)架構(gòu)，無(wú)需使用單獨(dú)的DC-DC變換級(jí)，可減少元件數(shù)目，減小PCB占板尺寸，實(shí)現(xiàn)高達(dá)10%的效率提升。

PI此前在推出InnoMux一代時(shí)表示，具有多路獨(dú)立穩(wěn)壓輸出的新型反激控制技術(shù)正在消除某些應(yīng)用中的DC-DC變換器，而今，隨著二代產(chǎn)品提升了集成度之后，這一方案可以在更廣闊范圍內(nèi)消除DC-DC變換器。

傳統(tǒng)多路輸出的挑戰(zhàn)

PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光表示，在多路輸出拓?fù)渲校?jí)DC-DC變換器設(shè)計(jì)存在著諸多難以調(diào)和的挑戰(zhàn)，包括效率、空載功耗以及輸出精度，三者無(wú)法被同時(shí)滿足。

具體而言，在穩(wěn)壓精度方面，多路輸出電源中，通常只有主輸出配備有反饋電路，可以保持輸出電壓的穩(wěn)定。由于輔助輸出沒(méi)有反饋電路，只能根據(jù)圈數(shù)比來(lái)跟蹤主輸出電壓的變化，變壓器繞組的耦合程度不同。因此，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輔助輸出電壓可能會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，導(dǎo)致穩(wěn)壓精度下降。

而針對(duì)效率問(wèn)題，為了提高輔助輸出的穩(wěn)壓精度，需要添加二級(jí)DC-DC變換器，考慮到二級(jí)變換也有損耗，因此該結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)降低效率，并且還會(huì)增加成本、高頻噪聲以及空載損耗。

另外看一下空載功耗，為了保證空載時(shí)輔助輸出電壓的穩(wěn)定性，通常需要添加假負(fù)載電阻，拉低空載狀態(tài)下的輸出電壓，但假負(fù)載電阻會(huì)增加電源的空載功耗。

閻金光總結(jié)的不同多路輸出方案的優(yōu)勢(shì)比對(duì)，很難有一個(gè)方案可以有效兼顧所有

InnoMux-2能量多路傳輸?shù)膴W妙

InnoMux-2可提供高達(dá)90W的輸出功率，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滿足優(yōu)于±3%的調(diào)整精度。電源系統(tǒng)的總效率（從交流到穩(wěn)壓的低壓直流輸出段）可超過(guò)90%；先進(jìn)的InnoMux-2控制器還能管理輕載下的功率輸出，無(wú)需使用假負(fù)載電阻，可將空載功耗降至30mW以下。

恒壓恒流輸出典型應(yīng)用框圖

閻金光詳細(xì)介紹了InnoMux-2是如何實(shí)現(xiàn)多路輸出的，如圖中所示。初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間通過(guò)Fluxlink隔離，初級(jí)側(cè)集成了GaN開(kāi)關(guān)及控制電路。

包括VCV1、VLED都有反饋電路，得到反饋后，可在任何輸出需要額外功率時(shí)，使用FluxLink通信鏈路對(duì)初級(jí)控制器發(fā)出逐周期能量請(qǐng)求。然后對(duì)CDR1 FET開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，使需要傳遞的能量包發(fā)送到合適的鏈路中。

該方案類似于傳統(tǒng)的多路輸出反激變換器。但是，在傳統(tǒng)的多路輸出反激變換器中，輸出電壓通過(guò)變壓器輸出繞組圈數(shù)比相對(duì)固定。缺點(diǎn)包括輸出之間的交叉調(diào)整率不佳，表現(xiàn)為重載輸出上的電壓通常會(huì)下降，而輕載或空載輸出上的電壓則傾向于增大或“峰值充電”。此類交叉調(diào)整率挑戰(zhàn)正是使用DC-DC變換器的多級(jí)變換器通常是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的唯一選擇，也是需要使用假負(fù)載電阻的主要原因。

交叉調(diào)整率互相影響結(jié)果

而InnoMux-2采用“能量多路傳輸”的概念，根據(jù)即時(shí)需求將能量多路傳輸?shù)礁鱾€(gè)輸出，可對(duì)每個(gè)輸出提供精確、獨(dú)立的調(diào)整。此外，此功能還可以實(shí)現(xiàn)一些非常獨(dú)特的電源特性。例如，可以控制部分輸出以提供恒定的輸出電壓，可以控制另一部分輸出以提供恒定的輸出電流，在實(shí)際應(yīng)用中，這樣可進(jìn)一步控制LED顯示屏背光或電池充電輸出。恒流負(fù)載必須根據(jù)負(fù)載條件改變輸出電壓， 以保持恒定的負(fù)載電流， 而恒壓輸出電壓必須保持固定。這是通過(guò)逐周期能量多路傳輸實(shí)現(xiàn)的，它允許在恒流輸出上進(jìn)行2:1的電壓調(diào)整，并對(duì)每個(gè)單獨(dú)的輸出電壓/電流進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整，甚至進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

另外，閻金光表示，InnoMux-2能量傳遞采用了脈沖共享技術(shù)，利用高頻分批發(fā)送能量，且智能的分配給其他需要能量的電源軌，這樣就避免了變壓器的低頻噪聲問(wèn)題。

對(duì)于精度問(wèn)題，負(fù)載階躍為 0%-100%-0% 時(shí)，可保證優(yōu)于±5%的CV精度。

值得注意的是，InnoMux沒(méi)有泄放電路，使其具有極大的低待機(jī)功耗優(yōu)勢(shì)，可以輕松滿足歐洲用電產(chǎn)品(EuP)指令規(guī)定的低于300mW待機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)。

如圖所示，泄放電路的待機(jī)功耗幾乎等于MCU功耗，遠(yuǎn)高于其他組件。

從屏幕到萬(wàn)物應(yīng)用

InnoMux第一代只適用于電視等具有LED應(yīng)用的場(chǎng)景，而InnoMux-2支持多種電源架構(gòu)和多個(gè)功率級(jí)別，從而應(yīng)用于各類對(duì)低待機(jī)功耗有要求的場(chǎng)景中。器件選項(xiàng)包括雙路輸出和三路輸出恒壓(CV)型號(hào)；或者，其中一路輸出可專用于提供恒流(CC)驅(qū)動(dòng)，適合為顯示器中的LED背光供電或?yàn)閮?nèi)置電池提供快速充電，而InnoMux2-BL與IML204DG搭配可以實(shí)現(xiàn)一路恒壓及至多八路恒流輸出。

比如一路恒壓和一路恒流輸出，適合顯示器、電視、家居自動(dòng)化、照明等；兩路恒壓輸出適合小家電、工業(yè)、儀表等；三路恒壓輸出適合工業(yè)類、電器、電信、網(wǎng)絡(luò)；一路恒壓及最多八路的恒流輸出適合高端顯示器、電器等。

不同的功率產(chǎn)品組合

總結(jié)

正如PI產(chǎn)品開(kāi)發(fā)副總裁Roland Saint-Pierre表示：“大多數(shù)現(xiàn)代電子系統(tǒng)都依靠多個(gè)內(nèi)部電壓來(lái)運(yùn)行各種功能，如計(jì)算、通信和執(zhí)行功能（通常是加熱、發(fā)光、發(fā)聲或某種運(yùn)動(dòng)功能）。但每個(gè)變換級(jí)的損耗都會(huì)累加起來(lái)，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的性能并產(chǎn)生熱量。InnoMux-2 IC可輕松克服這一挑戰(zhàn)，因?yàn)樗捎靡粋€(gè)單級(jí)的架構(gòu)，即可提供多達(dá)三個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓輸出或者兩個(gè)恒壓輸出和一個(gè)恒流輸出，從而可以以更少的元件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊且高效的電源子系統(tǒng)。”

目前InnoMux一代已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于顯示器、電視、家用電器等行業(yè)，證明了PI獨(dú)創(chuàng)的能量多路傳輸?shù)闹匾?。InnoMux-2通過(guò)一系列改良和升級(jí)，適合更多的垂直類行業(yè)應(yīng)用，相信隨著對(duì)于效率、精度以及待機(jī)功耗的要求不斷提升，InnoMux-2勢(shì)必會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

未來(lái)，多級(jí)DC-DC功率架構(gòu)真的可能會(huì)被InnoMux所替代。