MPSのAC/DC電源ソリューションによる低炭素時代の変革 (パートI)
はじめに
低炭素時代は、より小型で高効率のチップの開発トレンドをもたらしています。1980年代に、まずスイッチング電源がリニア電源に取って代わりました。現在、電源の効率は大幅に向上し、ソリューション全体のサイズは縮小しています。ポータビリティに対する消費者の要件を考慮して、スイッチング電源はさまざまなアプリケーション向けに、ますます高度で軽量になり続けています。
本稿は、トレンドを設定するAC/DCソリューションについて説明する2部構成のシリーズの最初の部分です。パートIは、カーボンフリー時代の紹介と、設計者が従来の電源ソリューションで直面する問題について説明します。パートIIでは、高効率のAC/DCソリューションがスペースに制約のあるアプリケーションの効率を向上させる方法について説明します。
近年、世界中の政府が二酸化炭素排出量の削減への取り組みを発表しています。2030年までに、バイデン政権は、米国の2005年のレベルと比較して、正味の温室効果ガスによる汚染を50％〜52％に引き下げることを目指しています。一方、中国は「3060」目標と呼ばれる包括的な計画を制定しました。中国は2030年までに魅力的な排出量に達し、2060年までにカーボンニュートラルを達成すると予想しています。
より環境に配慮した将来の要求を満たすために、エネルギー効率基準はより厳しくなっています。たとえば、EUの行動規範 (CoC) と米国エネルギー省 (DoE) の6レベルのエネルギー効率基準は、省エネと炭素排出量の削減を実現するための無負荷電力消費と効率改善の要件を発表しています。
スイッチング電源の増大する課題
スイッチング電源の場合、スイッチング周波数 (fSW) は、インダクタ、コンデンサ、トランスなどの受動素子のサイズを大幅に削減できます。オフラインAC/DCスイッチング電源の場合、入力端子は230VACの入力でで50Hz / 60Hzにできます。スイッチング速度は、高電圧、高周波のスイッチング損失によって制限されます。従来の700Vシリコンパワーデバイスは30kHz〜200kHzに増加しましたが、シリコンのボトルネックにより、さらなる改善に制限がかかりました。
AC/DC電源の場合、高電圧パワーデバイスのスイッチング周波数には制限があります。高周波絶縁トランスの設計では、安全性と効率も考慮する必要があります。これにより、安全性と周波数での妥協点が必要になる可能性があります。単位体積あたりの熱放散の増加も、高周波電源を大幅に制限します。
スイッチング電源の効率向上
部品が小さいほど損失と熱放散が減少するため、効率を向上させるには、より小さなソリューションを作成する必要があります。そのため、高周波の小型化が求められます。単位体積あたりの熱放散は、効率が向上された場合にのみ減少します。つまり、これらの問題を軽減するには、より高い電力密度を備えた高周波設計が不可欠です。
さらに、アクティブ・クランプ・フライバックなどの新しいスイッチングトポロジーにより、効率を向上させることができます。これらのトポロジーは、起動損失を排除し、絶縁トランスおよび第3世代の半導体パワーデバイスの漏れインダクタンスの回復を実現します。高速シャットダウンのスイッチング損失は、無視できるレベルまで減らすことができます。効率を向上し、電源の周波数を上げることで、より小さなパッケージが可能になります。
MPX2001は、一次側レギュレーション (PSR) と二次側レギュレーション (SSR) の両方の利点を提供するオールインワンのフライバックコントローラです。フィードバック回路を必要とせずに、MPX2001は、統合された一次駆動回路、二次コントローラ、および同期整流 (SR) ドライバにより、BOMとサイズを削減した包括的なソリューションを提供します。MPX2001は、SOICW20-19パッケージおよびSOICW20パッケージで提供されます。高度な保護として、一次過電流保護 (POCP)、低電圧誤動作防止機能 (UVLO)、二次側出力過負荷保護 (OLP)、および短電流保護 (SCP) を備えています。図1にMPX2001用の代表的なアプリケーションを示します。
図1 : MPX2001の代表的なアプリケーション
GaNまたはGaN+トポロジーを実装するなど、効率を向上するための他の方法があります (図2を参照)。
図2 : 効率向上のための新しいGaN+トポロジー
MPSは、AC/DC業界のリーディングメーカーです。当社のトレンド設定製品は、1W〜1000Wまでの範囲をカバーしています (図3参照)。
図3 : MPS AC/DC電源ソリューション
結論
世界がカーボンニュートラルに向かうトレンドにある中、設計者は、より小型でより効果的な高効率電源に対する需要の高まりに対応する必要があります。MPSは、MPX2001のような小型で効率的なAC/DC電源装置を使用して、これらのますます厳しくなる要件に簡単に対応できるようにしています。本稿では、電源設計者が直面する問題と、これらの問題を軽減する高レベルな方法をいくつか紹介しました。パートIIは、MPSが直面している問題について、最新の製品を詳しく見ながら対処法を説明していきます。
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