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II)
はじめに
MPSのAC/DC電源製品は、環境に配慮したソリューションに対するますます厳しくなる要件を満たすために、高度なテクノロジーを利用してパフォーマンスを向上させ、省エネを実現しています。
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2回目です。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した。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。
MPSは、低ドロップアウト (LDO)、1W出力の非絶縁降圧型ソリューション、10W出力型の非絶縁型降圧型ソリューションなど、幅広い統合型電源ソリューションを提供します。低電力の絶縁型フライバックソリューション用に、MPSは統合されたパワートランジスタとコントローラを提供します。75W出力を超えるハイパワーLLCソリューション用には、MPSはPFC+LLCアーキテクチャ用の独立したPFCコントローラとLLCコントローラを提供します。MPSで利用されるいくつかの方法を以下で説明します。
新しいトポロジーの紹介
効率を向上させるために、アクティブ・クランプ・フライバックとゼロ電圧スイッチング (ZVS) を備えたPFC+LLCのハイブリッドトポロジーを考えます。このトポロジーは、起動損失を減らし、漏れインダクタンスのリサイクルに役立ち、最大93％の効率を実現します。
完全に統合された設計
従来の非絶縁型AC/DCソリューションでは、通常、複数のチップと多数の外部部品 (一次側コントローラ、二次側コントローラ、光アイソレータなど) が必要であるため、ボード面積が大きくなり、BOMコストが高くなります。MPSのコンパクトソリューションは高度に統合されています。シングルチップには、一次側と同期整流コントローラを含めることができます。統合されたスキームは、設計を簡素化し、PCBを縮小し、従来のソリューションよりも費用対効果が高くなります。
高周波チップの採用
スイッチング周波数と効率が低いため、シリコンデバイスは新世代のパワーデバイスには不適切です。GaNなどの半導体材料の出現により、スイッチング周波数と効率が効果的に改善され、高周波設計がパワーデバイスの要件を満たすことができるようになりました。
デジタル製品
デジタルパワーチップは戦略的な利益を提供しますが、従来のアナログコントローラは絶えず進化する要求への対応に苦慮しています。デジタル製品は、従来のコントローラと比較してより高い柔軟性を提供します。MPS製品はデジタルコアを使用し、非常に豊富で設定可能な機能を備えています。
MPX2002を用いた統合ソリューション
MPX2002は、一次側コントローラと二次側コントローラを1つのチップに組み合わせた完全に統合されたフライバックコントローラです。この革新的な設計により、周辺回路の設計が大幅に簡素化され、急速充電ソースのソリューションサイズの小型化を実現します。
図1は、MPX2002の代表的なアプリケーション回路を示し、一次側駆動回路、二次側コントローラ、同期整流 (SR) ドライバ、および安全性コンプライアンスのフィードバックを統合します。
図1 : MPX2002の代表的なアプリケーション回路
MPX2002は、重負荷時に連続導通モード (CCM) で動作可能で、負荷が減少すると疑似共振 (QR) 動作に切り替わります。負荷がさらに減少すると、 MPX2002は パルス周波数変調 (PFM) モードで動作します。デバイスがバーストモードに入ると、スイッチング周波数が20kHzに固定され、可聴ノイズを低減します。この機能により、MPX2002は、すべての負荷条件で高効率、および優れた電磁障害 (EMI) 性能を達成します。
従来のソリューションでは4つのチップ (フライバックコントローラ、フォトカプラ、基準電圧源、同期整流コントローラ) が必要ですが、MPX2002は、一次側コントローラと同期整流コントローラを統合したシングルチップソリューションです。簡素化された設計により、効率が向上し、ボード領域とスタンバイ電力消費が削減され、信頼性が向上します。さらに、 MPX2002は、信頼性の高い環境でのフォトカプラの経年劣化を防ぐために、フォトカプラのフィードバックは必要ありません。連続導通モードでは高精度の同期整流制御を容易に実現できます。
図2は、MPX2002と従来のソリューションの比較を示しています。
図2 : MPX2002 vs. 従来のソリューション
HR1211を用いた統合ソリューション
HR1211は、マルチモードPFCと現在のモードLLCを統合した2・in・1のコントローラです。高電圧 (HV) の電流源を提供し、安全性が認定されたXコンデンサディスチャージャ、およびPFCとLLCを組み合わせたHV駆動回路として実装できます。その結果、HR1211は、短絡周辺回路を実現します。図3は、HR1211の代表的なアプリケーション回路を示します。
図3 : HR1211の代表的なアプリケーション回路
HR1211のデジタル制御コアは、マルチタイムプログラマブル (MTP) メモリと組み合わせることで、ソリューション全体に優れた柔軟性をもたらします。そのUARTインタフェースは以下のことを実現できます :
- PFCとLLCの2ステージ回路間の連携を可能にする
- 異なる制御モード間の切り替えを可能にする
- 主要な動作点でスイッチング周波数を設定する
- 保護機能のしきい値、時間、および回復方法を設定する
UARTインタフェースを使用した通信は、専用のグラフィックユーザーインタフェース (GUI) を使用して行われます。
図4は、HR1211ベースの電源設計は、電動自転車用のオフライン600Wバッテリチャージャのようなさまざまなアプリケーションや設計でのパフォーマンス要件に対する柔軟な適応例を示しています。
図4 : HR1211アプリケーション・シナリオの例
結論
MPSは、AC/DC分野の製品の包括的なポートフォリオを蓄積しており、 MPX2002やHR1211などの人気のあるパワーソリューションとともに、AC/DC分野で包括的な製品ポートフォリオを蓄積してきました。スイッチング電源の要件がより複雑になるにつれて、MPSはますます効率的で高度な製品で消費者の要求に応えます。カーボンフリーの時代と、この時代に設計者が直面する問題について知るには、このシリーズのパートIをご覧ください。
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