在我们的日常生活中,电气设备的正常运作依赖于电源的稳定供电,而这些设备内部的多种功能通常需要不同的直流电压来驱动。传统解决方案通常采用单一的反激电源,并通过多个降压或升压转换器来为不同功能提供所需的电压,但这种方法在效率、空载功耗和输出精度这三个关键性能指标之间难以实现完美平衡。在追求某一方面的性能提升时,往往不得不在其他方面做出妥协。例如,为了提高效率和输出精度,可能会增加空载功耗和开发成本;而降低空载功耗和提高响应速度,则可能会牺牲转换效率。因此,如何在这三个关键指标之间找到平衡点,避免性能的相互制约,成为多路输出电源设计中的一大挑战。
以冰箱为例,制冰系统需要25VDC供电,主控微控制器(MCU)需要3.3VDC或5VDC供电,而显示背光板则需要恒流的30VDC供电。同样,在电视机系统中,逻辑电路需要5VDC供电,逆变/调谐电路需要±12VDC供电,音频系统需要24VDC供电,而显示背光板则需要恒流的60VDC供电。
尽管我们在日常生活中看到的电源系统往往是单路输出的,例如手机充电器通常只输出5VDC,但这并不意味着设备内部的电源管理是单一的。实际上,手机内部集成了电源管理集成电路(PMIC),它负责将单路输入的直流电源进行二次分配,转换成多路输出电源,以满足不同组件的需求。例如,PMIC可以将5VDC变换成4VDC、3.5VDC、3.1VDC、1.7VDC等多种电压,以供手机内部的不同模块使用。
换言之,当前市场上传统的多路输出电源多采用的是“单路输出反激式电源+多个降压/升压变换器”的方案,这种二次变换的电源通常效率不佳,且成本较高。而如果我们采用单级多路输出,虽然成本和效率方面更占优势,但是在空载功耗或输出精度方面又有所欠缺。例如采用输出未经调整的多路输出反激式电源的方案,能够实现高效率、较低的空载功耗,但会牺牲输出精度。如果采用多路输出反激+加权反馈+假负载的方案,能够得到高效率、高输出精度,但空载功耗较高。如果采用了单输出的反激电源+降压变换器稳压+假负载,能够得到较好的输出精度,但空载功耗比较高,且效率也只是中等水平。
单输出电源只要有反馈电路就能非常稳定地输出,但多输出电源有所不同。以一个三路输出电源的电路结构为例,一般有辅助输出、主输出、反馈电路。由于传统多路输出反激式开关电源仅对主输出进行稳压调节,主输出经过反馈电路可以得到稳定的电压,但辅助输出不经过反馈电路,电压会随输出负载条件出现变化,也就是大家所熟知的交叉调整率指标。这也是多路输出电源的难点之一:如何得到精确且稳定的输出
如下图所示,传统多路输出反激式开关电源往往仅对主输出进行稳压调节,从图中可以看到主输出是有反馈调节电路的,但是辅助输出是没有的
在传统的多路输出反激式开关电源设计中,虽然可以方便地增加辅助输出通道,但这些辅助输出往往缺乏有效的控制机制。一旦辅助输出失去控制,就会对输出电压稳定性造成影响,导致一系列问题的出现。例如,负载变化、输入电压波动、其他输出通道负载的变动、生产过程中的误差、温度变化以及变压器的一致性问题,都可能导致辅助输出电压出现波动。在某些情况下,轻负载时输出电压可能会急剧上升,而综合这些因素,辅助输出电压的变化幅度甚至可能超过20%。
为了提高辅助输出的稳压精度,我们可以为其增加“加权反馈”机制。这种设计能够在一定程度上改善电压的稳定性,但在轻负载条件下,电压仍然可能出现偏高的现象。通常,可以通过增加假负载来调节这一问题,以保持电压的稳定。然而,引入假负载会增加待机功耗,这在追求能效的现代电子设备设计中是不可取的。
InnoMux-2 IC是一款集成了初级AC-DC转换和后级DC-DC转换的单芯片解决方案,它能够提供多达三个独立的稳压输出。这种设计使得InnoMux-2 IC非常适合于需要多组供电电压的多种应用场景,包括但不限于:电视机、显示器、家电、网络设备、智能家居和楼宇自动化、LED应急照明以及工业电源。
相较于传统的两级架构,InnoMux-2无需使用单独的DC-DC变换级,所以可以减少元件数目的使用,减小PCB占板尺寸,并将效率提高多达10%。”
在带载能力方面,InnoMux-2可提供高达90W的输出功率,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满足优于±3%的调整精度。电源系统的总效率(从交流到稳压的低压直流输出段)可超过90%。如下图所示,InnoMux-2采用脉冲共享引导能量提供精确的输出控制
举一个例子,在一个12V恒压的单输出电源中,最终的系统效率为92%。在一个多输出+后级稳压器电源架构中,输出5V CV、12V CV、30V CC,经过二次变换后的系统效率只有80%。而InnoMux-2多路输出的方案中引入氮化镓开关管,通过对输出能量加以引导,在没有采用后级稳压器的情况下还能将系统效率提升10%,达到90%。
对比可以发现InnoMux-2方案集成了许多与传统InnoSwitch3相似的IC功能,其中包括750V PowiGaN™氮化镓开关管、零电压开关(无需有源钳位)和Fluxlink磁感耦合。该方案采用InSOP封装,无需额外散热片,通过PCB板进行散热。次级侧主控制器支持多种开关控制,包括选通开关、同步整流驱动和初级MOS管的开关控制,可实现DCM或CCM的多种工作模式。待机功耗可降至30毫瓦以下,并集成了全面的保护特性于IC内部。