近年來，電路" target="_blank">數(shù)字電路的集成度一直在提高，摩爾定律直到今天還在指導(dǎo)數(shù)字電路的設(shè)計和創(chuàng)新。每當(dāng)有新的消費電子產(chǎn)品發(fā)布，我們已經(jīng)習(xí)慣了媒體上大肆宣傳的性能又有了新的提升，并且功耗有了進(jìn)一步降低。但是，到了模擬電路領(lǐng)域，似乎大家也已經(jīng)習(xí)慣了一成不變的架構(gòu)和設(shè)計，那為什么還需要InnoMux?-2這樣的創(chuàng)新設(shè)計呢?接下來我們從傳統(tǒng)的電源變換器切入，來看看InnoMux?-2的創(chuàng)新之處。
傳統(tǒng)的多輸出電源變換器
目前的電子產(chǎn)品多數(shù)需要多個電源軌來滿足不同組件的電源需求，例如一個典型的微機電一體化設(shè)備(冰箱、空調(diào)等)，通常傳感器需要5V電壓，微控制器需要3.3V電壓，而閉合器需要12V電壓。應(yīng)對這類電源需求，最直接的想法是在單路輸出電源的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次變換。
單路輸出的反激式電源可以提供1種電壓的輸出，其它電壓如果高于它，使用二級升壓電路實現(xiàn)，如果低于它，就使用二級降壓電路實現(xiàn)。邏輯非常直接，效果也是滿足基本的工程要求的，只是效率不高。假設(shè)單級的效率是90%，那兩級串聯(lián)后的效率就是0.9*0.9=81%。
當(dāng)然，我們也可以的增加多個繞組，來實現(xiàn)多路輸出電源。
有3個輸出，但它們不是對等的，1個叫主輸出，另外2個叫輔助輸出。原因是反饋電路只根據(jù)主輸出來穩(wěn)壓，輔助輸出不參與反饋，會隨著負(fù)載變化而飄忽不定。為了穩(wěn)定輔助輸出，我們可以加假負(fù)載，使得空載狀態(tài)下的輸出電壓不至于太高。這個假負(fù)載一般是負(fù)載電阻，很顯然它無端消耗了一部分能量。
至此，通過簡單的分析，我們已經(jīng)可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的多輸出電源變換器面臨的挑戰(zhàn)，就是3個設(shè)計要素的權(quán)衡：
1.效率
2.空載功耗
3.輸出精度
InnoMux?-2里沒有DC-DC變換器
比較容易想到的常見改進(jìn)方法是在上述方案上修修補補，以期各項參數(shù)可以滿足工程需求，但歸根到底還是要在效率、空載功耗和輸出精度上做出權(quán)衡。而InnoMux?-2則跳出了這種權(quán)衡，拓?fù)涞脑O(shè)計思路是去掉DC-DC變換器，做到“一步到位”。輔助輸出容易受到主輸出的影響，主要原因是繞組物理圈數(shù)是固定的，盡管圈數(shù)是按照電壓比例設(shè)定好的，，但繞組間由于漏感大小的不同，造成不同負(fù)載情況下實際輸出電壓并不總是按比例分配，對于負(fù)載輕的輸出會產(chǎn)生“峰值”充電的現(xiàn)象，進(jìn)而造成電壓飄高。而且由于多路輸出各繞組間功率的分配是按圈數(shù)自動分配的，那么只有主輸出(有反饋的輸出)才有權(quán)決定初級的開關(guān)狀態(tài)，這必然造成無反饋的輔助輸出不能被很好的調(diào)控。那么有沒有一種方式，可以實現(xiàn)能量的動態(tài)分配，實現(xiàn)虛擬的“動態(tài)繞組”呢?如果可以滿足上述工程上的權(quán)衡，那就變成了皆大歡喜的“我全都要”。
PI新近發(fā)布的InnoMux?-2完美地解決了上述多輸出應(yīng)用當(dāng)中的技術(shù)“痛點”。
不像傳統(tǒng)多輸出電源中只有一路主輸出有反饋的方法，該方案利用器件的次級電路對每一路輸出都進(jìn)行監(jiān)測，或者是電壓(恒壓輸出)或者是電流(恒流輸出)。當(dāng)某一路的電壓或電流下降時，則由次級側(cè)的控制器向初級發(fā)送一個開關(guān)請求信號(通過FluxLink，以脈沖的方式)。而下次初級側(cè)開關(guān)管開關(guān)所發(fā)送至次級的能量，則只能由發(fā)送請求的那路輸出進(jìn)行“接收”?！敖邮铡钡姆椒ㄊ峭ㄟ^次級增加的選通開關(guān)(與輸出串聯(lián)的MOSFET)來完成的，而未發(fā)起開關(guān)請求的輸出則與變壓器處于斷開的狀態(tài)。得益于數(shù)字電路的高速高精度特性，我們可以在每個開關(guān)周期中動態(tài)調(diào)控其能量的傳導(dǎo)路徑，從而實現(xiàn)每個開關(guān)周期僅將能量分配至有需要的輸出，達(dá)到各路輸出在任何負(fù)載下都有極佳穩(wěn)定度的效果。
一個單繞組12V、5V雙路輸出反激式電源的架構(gòu)為例，我們來分析一下InnoMux?-2的工作原理。12V輸出時，當(dāng)12V降至FB參考點以下，次級側(cè)經(jīng)Fluxlink發(fā)送開關(guān)請求，初級開關(guān)導(dǎo)通，能量積聚，SR導(dǎo)通，選通FET關(guān)斷，儲能釋放至12V輸出。5V輸出時，當(dāng)5V降至FB參考點以下，次級側(cè)經(jīng)Fluxlink發(fā)送開關(guān)請求，初級開關(guān)導(dǎo)通，能量積聚，SR導(dǎo)通，選通FET導(dǎo)通，儲能釋放至5V輸出。
其中GSel是選通FET的柵極信號，GSR是SR FET的柵極信號。我們可以看到，通過控制GSel，就可以選擇次級端變壓器當(dāng)中儲能的傳導(dǎo)路徑，或者是釋放至5V端，或者釋放至12V輸出端。
我們注意到，GSR的信號在初級功率開關(guān)管開通之前，有一個短暫的開通脈沖。這也是InnoMux?-2的另一大特色，即使用現(xiàn)成的SR FET實現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)。這種方法無需傳統(tǒng)有源鉗位中用到的額外電路，效率可以提高0.5%~1%。
具體的工作過程如下：
① 初級開關(guān)導(dǎo)通前，使SR FET短暫導(dǎo)通一段時間，這樣會在次級側(cè)繞組當(dāng)中產(chǎn)生一個反向電流，能量來自于5V的輸出電容。而當(dāng)SR FET關(guān)斷后，反向電流換流至初級繞組兩端，也是反向的(從漏極至直流母線正端)。
② 初級VDS被反向初級電流放電，并將VDS電壓降至接近“0”，此時再發(fā)出初級開關(guān)的開通驅(qū)動信號，這樣做就達(dá)到了ZVS的效果。通過對工作原理的了解，我們意識到這種控制方式僅在DCM工作方式時才能實現(xiàn)。但好在多數(shù)的反激式電源在高壓輸入情況下均工作于DCM， 而高壓輸入也是初級功率開關(guān)管開關(guān)損耗比較大的工作狀態(tài)。在低壓輸入時，電源還是設(shè)計于連續(xù)模式，可以優(yōu)化導(dǎo)通損耗。此時即使沒有ZVS開關(guān)操作，也不會對效率及功率管溫升產(chǎn)生很大的影響。這種“聰明”的ZVS實現(xiàn)方式，不但降低了整體系統(tǒng)成本，也進(jìn)一步提升了該器件可以輸出的功率能力，改善了器件本身的溫升表現(xiàn)。
InnoMux?-2通過對每個開關(guān)脈沖能量的導(dǎo)引來實現(xiàn)各路輸出的精確輸出。但當(dāng)某路輸出負(fù)載變輕的情況下，必然導(dǎo)致其請求開關(guān)的脈沖的頻率落于音頻范圍以內(nèi)，從而可能產(chǎn)生音頻噪音的問題。那么InnoMux?-2是如何解決的呢?
答案就是其獨特的一項控制技術(shù)，叫做“脈沖共享”。
其實具體的InnoMux?-2操作并不是像我們前述的那樣，即每個初級脈沖發(fā)送過來的能量都一直輸送給某個單一的輸出。因為這樣勢必會造成隨負(fù)載的變化，變壓器不同開關(guān)周期內(nèi)磁通釋放的斜率有所差異，換句話說也就是各周期次級電流波形的形狀不一致，一旦這種電流不一致的頻率進(jìn)入音頻范圍或者接近于變壓器的固有振蕩頻率，則會產(chǎn)生音頻噪音問題，同時也會造成輸出紋波的增大。這在較高功率的應(yīng)用當(dāng)中是無法接收的。那么解決的方法就是將一個周期內(nèi)從初級傳輸過來的能量在不同的輸出之間分擔(dān)，也就是“脈沖共享”。具體操作就是在最高電壓的輸出和另外的一路低壓輸出之間進(jìn)行能量分擔(dān)，利用選通開關(guān)的通斷來將高壓輸出的剩余能量消耗在選通開關(guān)導(dǎo)通的那路輸出負(fù)載上面。這樣做就可以保證分擔(dān)能量的兩路輸出均可以以相對較高的頻率進(jìn)行操作，同時也可以保證各周期間有相同或相似的次級電流形狀，也就降低了前述的開關(guān)進(jìn)入音頻范圍的影響。
可以看到，每個周期的能量在次級泄放期間先是傳導(dǎo)到12V輸出，而在后半段則傳導(dǎo)至5V輸出。、三個開關(guān)周期其電流波形的形狀是相近的，也就是變壓器的磁通變化規(guī)律是相近的，這樣就避免了次諧波頻率進(jìn)入音頻范圍的可能，進(jìn)而降低音頻噪音。再者，由于能量共享后每個輸出以更高的頻率得到能量補充，其輸出紋波也可以得到保證。
InnoMux?-2通過對輸出精準(zhǔn)的調(diào)控，再加上獨有的ZVS實現(xiàn)方式，使其整體變換效率可以達(dá)到90%。相比于傳統(tǒng)的多輸出應(yīng)用當(dāng)中單級反激+后級穩(wěn)壓器的方案提高了10%的效率?；蛘咭部梢岳斫鉃椋速M的能量減少了一半。我們可以看到，相比單輸出92%的變換效率，InnoMux?-2僅在損失2%的額外損耗的情況下，就實現(xiàn)了多路輸出的精確調(diào)整。而這對于整體系統(tǒng)滿足能效標(biāo)準(zhǔn)、提升供電電源待機表現(xiàn)都具有非常大的意義。
小結(jié)
InnoMux-2在多路輸出的電源應(yīng)用當(dāng)中，通過創(chuàng)新性的能量導(dǎo)引控制策略，打破了傳統(tǒng)多路電源方案中效率、空載功耗和輸出精度的約束，實現(xiàn)了90%的系統(tǒng)效率。這種單級變換去掉了常用的后級DC-DC變換器，簡化了多路輸出電源的架構(gòu)，適合大量行業(yè)的應(yīng)用，勢必會對多路輸出電源的設(shè)計帶來一場革命性的變化。
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