安森美低/中/高功率電源方案設計框圖與產品選型指南

幾乎所有電子設備中都包含開關電源 (SMPS)。這種電源尺寸很小但效率很高，是比較廣泛使用的電源之一。SMPS 集成了可控開關、控制 IC 和無源元件，為負載提供可持續的可靠輸出。

DC-DC 和 AC-DC 電源轉換是比較常見的兩種電源類型。大多數負載需要直流輸入，例如手機、筆記本電腦和數據中心內高功率服務器中的芯片。

DC-DC 轉換器可將直流輸入轉換為所需的直流輸出，是 SMPS 的核心器件。AC-DC 轉換器（即所謂的離線轉換器）將電網的交流輸入整流為直流，作為次級 DC-DC 轉換級的輸入。但這樣的輸入可能不太穩定或比較多變，因此我們需要使用一個控制 IC 來監測電路、提供反饋并同時控制開關，從而確保產生穩定的直流輸出功率。

典型電源

01 電源的發展趨勢是什么？

提高效率始終是 SMPS 的核心追求。這里的效率是指 SMPS 從電網吸收的功率與向負載提供的有用功率之間的比值。然而，如果輸入線路電流和電壓異相或波形不同，那么消耗的視在功率可能會顯著提高，導致效率大幅降低。

解決異相問題的方法稱為 PFC（功率因數校正）。在交流輸入和次級 DC-DC 轉換器之間插入 PFC 級，可以減少諧波電流失真并提高功率因數，從而保障穩定的直流輸出。如今，電氣設備必須符合相關法規要求，例如美國/加拿大的 IEC61000-3-2、歐盟的 EN61000-3-2 和中國的 GB/T 14549-93 等，以確保在不同輸入電壓和負載電流下實現高功率因數和低總諧波失真。

此外，新的能效標準規定了更廣泛工作功率范圍內的能效等級。例如，80 PLUS 計劃推動在 20% 至 100% 負載條件下實現 80% 或更高的效率，并在 100% 負載條件下實現 0.9 或更高的功率因數。該計劃的最高等級（稱為“80+ 鈦金”標準）規定，在 20% 負載時效率至少要達到 92%，在 100% 負載時效率至少要達到 94%。

為了滿足世界各地不斷增長的能源需求，以及市場對更小、更高效電源的持續追求，提高功率密度至關重要。此外，功率密度越高，就能更有效地管理熱量、抑制 EMI 干擾，以及進一步提高系統工作頻率，從而縮小無源元件的尺寸。 02 安森美電源方案

電源設計是一個永恒的課題。新的要求和技術層出不窮，電源設計總會遇到形形色色的挑戰。例如，電源和無源元件、拓撲、成本控制、控制器選型、系統監測與保護、EMI和噪聲、PCB布局、熱管理等。因此，我們必須要根據實際需求進行選擇。

安森美 (onsemi) 是領先的電源方案提供商，提供全面的電源器件組合，包括電源開關、離線控制器、柵極驅動器、穩壓器等。我們還提供評估板和系統級仿真工具，可幫助縮短開發時間。

低/中功率電源裝置/支持 PD3.1 的電池充電器典型框圖

高功率/高功率密度電源裝置典型框圖

03 特色產品

多模式圖騰柱 PFC 控制器NCP1681

• 固定頻率 CCM，具有恒定導通時間 CrM 和谷底開關頻率折返功能

• 交流電壓監測和相位檢測

• 新穎的電流感測方案

• 欠壓鎖定、熱關斷、逐周期限流

• 目標應用 - 超高功率密度 PSU

LLC 控制器，帶同步整流控制器NCP4390

• 用于 LLC 諧振轉換器的次級側 PFM 控制器，帶同步整流器控制

• 寬工作頻率范圍（39 kHz～690 kHz）

• 通過補償削減（頻移）實現非 零電壓開關 (ZVS) 預防 (NZP)

• 可編程死區時間

EliteSiC SiC MOSFET，650VNTH4L015N065SC1

• V_BR 典型值＝650V，R_DS(ON) 典型值＝15mohm

• 開爾文源

• 高速開關和低電容

04 評估板

3kW 高密度 PSU3KW-TPLLC-GEVB

• 高功率密度拓撲 - 圖騰柱PFC＋LLC

• 基于碳化硅

• V_in＝80 - 230V

• V_out = 48 V, I_out = 62.5 A

• 20% - 100% 負載時功率因數＞0.98

• 100% 負載時系統效率＞98.4%

• 尺寸＝280×110×38 mm

• 精選產品

  • MM 圖騰柱PFC控制器 – NCP1681

  • 帶同步整流控制器的 LLC 控制器 – NCP4390

  • 隔離式半橋柵極驅動器 – NCP51561

  • 650V SiC MOSFET – NTHL045N65SC1

?應用：工業 PSU

05 系統級仿真工具

安森美的 Elite Power 在線仿真工具能夠在開發周期的早期階段進行系統級仿真，為復雜的電力電子應用提供寶貴的技術洞見。Elite Power 仿真工具能夠高精度呈現 EliteSiC 產品系列為所設計電路帶來的各方面優勢，包括 EliteSiC 技術的制造邊界工況。

• 適用于硬開關和軟開關仿真的 PLECS 模型

• 涵蓋 DC-DC、AC-DC、DC-AC 應用，包括工業和汽車領域的 32 種電路拓撲結構

• 支持繪制損耗和熱數據圖表

• 采用靈活設計并快速提供仿真結果

• 基于應用和拓撲結構的產品推薦功能

Elite Power 仿真工具：仿真結果和波形

PLECS 模型自助生成工具賦予電子工程師超高自由度，幫助他們輕松自定義高保真系統級 PLECS 模型。工程師既可以直接在自己的仿真平臺中使用模型，也可將模型上傳到安森美 Elite Power 仿真工具進行仿真。

• 適用于硬開關和軟開關仿真的 PLECS 模型

• 自定義應用寄生參數根據用戶指定的應用電路寄生參數進行調整，可顯著影響導通損耗和開關損耗

• 高密度寬表根據用戶指定的電氣偏置和溫度條件進行調整，用于導通損耗和開關損耗數據

• 邊界模型可在產品的典型條件和邊界條件下發揮效用，使用戶能夠跟蹤在較差、標稱和較佳制造條件下的導通損耗和開關損耗，進一步掌握應用性能表現

PLECS 模型自助生成工具

如何選擇 Elite Power 仿真工具和 PLECS 模型自助生成工具

PLECS 模型自助生成工具 - 硬開關和軟開關選擇（左）

PLECS 模型自助生成工具 - 密集損耗表（右）