如何設(shè)計(jì)出高效的可編程數(shù)字電源，又是如何實(shí)現(xiàn)更寬輸出電壓要求的？

目前數(shù)字電源在系統(tǒng)開發(fā)中所占的比例正在逐漸增長，越來越受到廣大電源管理開發(fā)商的青睞。而且在如今這個(gè)“快充和無線充電”的年代，數(shù)字電源更是扮演了舉足輕重的角色。那么如何設(shè)計(jì)出高效的可編程數(shù)字電源，又是如何實(shí)現(xiàn)更寬輸出電壓要求的？針對這些問題，在日前由電子工程專輯、電子技術(shù)設(shè)計(jì)、國際電子商情聯(lián)合主辦的第17屆電源管理論壇上，PI的高級現(xiàn)場應(yīng)用工程師何平給大家做出了精彩的技術(shù)分享。

【圖為何平在深入講解PI的離線式反激電源的數(shù)字控制解決方案】

在演講中，何平從以下幾方面全面展述離線式反激電源的數(shù)字控制。首先講述了滿足寬輸出電壓要求的USB PD電源，然后進(jìn)一步闡述了改進(jìn)的反激式拓?fù)淇商峁└咝詢r(jià)比的滿足DoE(6)效率要求的高效解決方案。最后詳細(xì)講解了寬輸出電壓范圍反激式電源在設(shè)計(jì)中如何優(yōu)化、具體挑戰(zhàn)以及具備I2C接口的高集成度的數(shù)字控制方案。

任何優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案，都離不開其高效性以及可靠性。大家都知道，結(jié)構(gòu)越是簡單，其可靠性將會越高，PI推出的這種變頻反激式拓?fù)浞桨敢彩且粯樱捎谄涓叨燃?，因而整體方案的元件數(shù)目很少。那么高效性呢？此方案采用的變頻技術(shù)可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)始終保持高效率，而更高的效率則意味著更低的熱量耗散。此外對于寬輸出電壓的應(yīng)用來說，電源不可避免地會工作于CCM或DCM工作方式，為了提高效率，方案中采用的同步整流及準(zhǔn)諧振的開關(guān)方式，可以保證各種輸出條件下均能實(shí)現(xiàn)高效。

提升效率是電源設(shè)計(jì)的一大永恒話題。并且不管輸入電壓和負(fù)載如何變化，電源都始終需要維持平穩(wěn)的高效率。隨著PD電源/快充電源的出現(xiàn)，電源的輸出電壓需要根據(jù)負(fù)載的應(yīng)用要求而改變，因而是否能在各種輸出條件下均能滿足國際能效標(biāo)準(zhǔn)的要求對設(shè)計(jì)者來講也是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。另一方面，效率提升對散熱設(shè)計(jì)也具有積極意義。通過降低適配器的散熱要求，工程師便可實(shí)現(xiàn)對成本、尺寸和重量等各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高功率密度、高可靠性的電源設(shè)計(jì)。那么PI的設(shè)計(jì)方案具體是如何提高效率和可靠性，我們來看看。

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SR開關(guān)時(shí)序的精確控制可提高效率和可靠性

精確的初級開關(guān)管關(guān)斷與次級SR開通時(shí)序可降低同步整流管體二極管的導(dǎo)通時(shí)間，從而提高效率。而次級整流管關(guān)斷后再由次級側(cè)發(fā)送初級側(cè)功率開關(guān)管開通指令的時(shí)序控制方式可以保證在CCM工作方式下同步整流的高可靠性。

【圖為：SR開關(guān)時(shí)序的精確控制】

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EMI及音頻噪聲的優(yōu)化可降低系統(tǒng)成本

變壓器屏蔽繞組可降低共模噪聲，頻率調(diào)制則可降低EMI掃描頻譜中的峰值數(shù)值，從而可以降低EMI濾波元件的成本。在輕載下一般都是采用降低工作頻率的方法來提高輕載效率，但在某一負(fù)載下，開關(guān)頻率會降至20kHz以下并進(jìn)入音頻噪聲范圍。尤其當(dāng)開關(guān)頻率接近變壓器本身的共振頻率點(diǎn)時(shí)會產(chǎn)生比較大的音頻噪音。為改善這種情況，PI所采用的先進(jìn)的狀態(tài)控制器可以防止電源工作于7至12kHz的開關(guān)頻率下，而這一頻段是大多數(shù)變壓器產(chǎn)生噪音最大的工作頻段。此外，為進(jìn)一步降低音頻噪音，在變壓器的設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)工作頻率<20kHz時(shí)，會確保磁通密度BAC<120mT。

【圖為：EMI及音頻噪聲的優(yōu)化】

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采用I2C接口

除了以上設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，PI的方案還采用了集成的I2C接口，通過這個(gè)接口與外部微處理器進(jìn)行通訊，通過軟件對電源的輸出電壓及電流進(jìn)行精確的動態(tài)階躍控制——電壓階躍步長為10mV，電流階躍步長為50mA——實(shí)現(xiàn)數(shù)字可編程的功率變換。這個(gè)帶來的好處是支持USB PD3.0子集中的PPS，可以更精確的控制輸出的電壓檔位。除了對輸出特性進(jìn)行外部編程控制以外，電源的各種保護(hù)特性也可進(jìn)行人為個(gè)性化設(shè)定。而所有這些強(qiáng)大的設(shè)定功能只使用簡單的外部微控制器即可實(shí)現(xiàn)，從而省去了復(fù)雜的針對不同協(xié)議的接口電路。整個(gè)系統(tǒng)具有安全、可靠且體積小的特點(diǎn)，且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視。

【圖為：采用I2C接口電路】

何平最后總結(jié)時(shí)說到：PI設(shè)計(jì)的解決方案不僅可以滿足寬輸出電壓要求的USB PD電源，經(jīng)過其改進(jìn)的反激式拓?fù)湟嗫商峁└咝詢r(jià)比且滿足DoE（6）效率要求。集成的I2C接口安全、可靠且體積小，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控，而且可支持使用更簡單的外部微控制器，省去復(fù)雜的協(xié)議接口電路。

【圖為第17屆電源管理論壇“快充和無線充電”論壇會場】

第十七屆電源管理論壇的最后環(huán)節(jié)是圓桌會談。PI資深產(chǎn)品經(jīng)理Chris Lee和其他公司代表共同出席了圓桌論壇，向與會嘉賓進(jìn)一步分享了PI公司的產(chǎn)品在多個(gè)市場取得的成就，并回答了嘉賓們的提問。

Chris提出：面對快速增長的快充和無線充電市場，PI更關(guān)心如何用產(chǎn)品價(jià)值幫助客戶。產(chǎn)品的成本包括材料成本+生產(chǎn)成本，PI高度集成化的產(chǎn)品在批量化生產(chǎn)時(shí)會極大地提高生產(chǎn)效率，幫助客戶降低生產(chǎn)成本；此外PI產(chǎn)品的高可靠性可以將產(chǎn)品的市場返修降到最低，降低運(yùn)營成本。

【圖為PI資深產(chǎn)品經(jīng)理Chris Lee出席圓桌論壇】